嵌入式实时操作系统UCOSII[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

何谓操作系统

1.什么是操作系统？
操作系统是管理和控制计算机硬件与软件资源的计算机程序，是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，任何其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。介于APP和硬件之间。

2. 为什么要用操作系统？
1）相比裸机，可以实现更加复杂的功能。
2）屏蔽硬件。使得上层应用APP的移植性更好。

常见操作系统

1. 常见操作系统
   安卓、IOS、Windows、Linux、塞班、Vxworks、wince、RTT、UCOS、FreeRTOS等。
2. 常见操作系统分类

1. 实时操作系统（RTOS）
   每一个任务的执行时间是不固定的，任务与任务之间的切换时以优先级为调度原则，优先级高的任务可以抢占优先级低的任务的CPU使用使用权，所以也叫抢占式内核。响应速度快。
   RTT、UCOS、FreeRTOS
2. 分时操作系统
   系统分配若干个时间片给每个任务，当前任务执行完自己的时间后会自动交出CPU使用权给下一个任务。
   时间片：每个时间片都是一样的，系统会分配若干个时间片给每个任务
   举例：1S平均分成1000份，每一份就是一个时间片–1ms。
   给任务A分配100份，给任务B分配200份，给任务C分配300份…
   Windows95/98/2000、LINUX2.6内核之前
3. 半分时半实时操作系统
   有一些任务是实时的，有些任务是分时的。
   Windows7/8/10、LINUX2.6内核之后

UCOS操作系统概述

UCOS操作系统的调度原则

实时操作系统：以任务优先级作为调度原则
分时操作系统：以时间片作为调度原则

UCOSII是实时操作系统，所以它是以任务优先级作为调度原则。

UCOS操作系统的程序结构

裸机：有且只能有一个主函数，并且在主函数必须要有死循环(while(1)),把要实现的功能在主函数里实现。

上了UCOSII操作系统后：有且只能有一个主函数，在主函数中可以不需要死循环(while(1)),在工程中有多个任务，每个任务都必须有个死循环，把要实现的功能写进各个任务中。

任务结构：任务控制块、任务函数地址、任务栈、任务优先级、任务状态

任务控制块：当成功创建了一个任务之后，系统就会自动分配一段内存空间，这段内存空间就是所谓任务控制块，存放这该任务的相关信息，包括任务函数地址、任务栈、任务优先级、任务状态。

任务函数：可以看成是一个功能函数，把要该任务实现的功能写进该函数中，系统通过该任务函数名（地址）访问该任务函数。
任务栈：当任务与任务之间发生切换时，保存当前任务环境（寄存器配置，变量等）和恢复任务环境。
任务优先级：每个任务都有唯一的优先级，是系统调度和任务切换的依据。
任务状态：休眠/停止、等待/挂起、就绪、运行、中断

UCOS操作系统的系统调度和任务切换

系统调度：当发生系统调度的时候，系统就会查询当前所有处于就绪状态中的任务的优先级，把CPU的使用权给到优先级最高的那个任务（就绪）。
处理就绪状态中任务的优先级问题。
任务切换：CPU从一个任务切换到另一个任务。

什么时候发生系统调度？
满足两个条件中的一个即可发生。

1. 时基的时间到了。时基又叫Tick,Tick一般情况下都是由系统滴答定时器提供，这个Tick时间长短可以由开发人员自己设定。
2. 执行到某些API函数（ Osched() ）

发生系统调度一定会产生任务切换吗？
发生系统调度不一定会产生任务切换

举例：
任务A优先级为10–挂起
任务B优先级为13–运行
任务C优先级为18–就绪
任务D优先级为20–就绪
当前任务B正在运行，突然Tick到了，就会发生一次系统调度，当前任务B从运行态转为就绪态，然后目前一定有任务B，任务C和任务D处于就绪态，并且任务B优先级最高，那么CPU的使用权仍然会给到任务B。
所以，这种情况虽然发生了系统调度，但是并没有产生任务切换。

任务间的切换过程是怎样的？

A—>B—>A

1. 任务A入栈
2. 任务B把内容从栈中弹出（出栈）
3. CPU切换到任务B
4. 任务B入栈
5. 任务A出栈
6. CPU切换到任务A

UCOS操作系统的任务中断

上了操作系统后，中断的写法跟以前裸机基本没有变化。
同样需要设置中断分组，中断优先级，使用中断等（配置NVIC）–没有变化
中断服务函数名也没有没变化
编写中断服务函数的内容需要增加两个UCOSII的API函数。—变化

在中断服务函数里的第一个行，必须加入“OSIntEnter()”,表示当前操作系统进入了中断服务函数
在中断服务函数里的最后一行，必须加入“OSIntExit()”,表示当前操作系统要退出中断服务函数

裸机：当发生了中断事件，会在当前运行的地方设定一个断点，执行完中断服务函数后，CPU会回到断点中继续执行。

上了UCOSII系统后：当发生了中断事件，同样会在当前运行的地方设定一个断点，执行完中断服务函数后，不一定会回到断点处。因为出中断前会执行“OSIntExit()”，执行这个API函数会产生一次系统调度，一旦发生了任务切换，CPU就不会回到断点处。

UCOS操作系统的任务状态

任务状态：休眠/停止、等待/挂起、就绪、运行、中断

创建UCOS版本工程

当前用到的是UCOSII版本。
UCOSII源码链接:www.micrium.com/downloadcenter/

选择对应的处理器

UCOSII文件说明

核心文件：

创建工程

1）新建一个空白文件夹
2）在上面创建的文件夹里再新建名为“CMSIS”、“USER”和“TASK”两个文件夹
3）在“USER”里再新建名为“inc”和“src”两个文件夹
4）在“TASK”里再新建名为“inc”和“src”两个文件夹
5）把芯片相关支持文件复制到“CMSIS”
6）把“UCOSII”整个文件夹复制到与“CMSIS”同目录下
7）打开KEIL软件创建新工程
8）创建虚拟工程树（在原来基础上增加“UCOSII_CONFIG”、“UCOSII_CORE”、“UCOSII_PORT”）
9）配置工程属性
10）设定头文件路径（在原来基础上增加“./TASK/inc”、“./UCOSII/CONFIG”、“./UCOSII/CORE”、 “./UCOSII/PORT”）
11）新建文件并添加到工程中

系统滴答定时器初始化

//函数功能：系统滴答中断
//参数说明：待延时的毫秒
//返回值：无
//注意事项：
//时间：2019.6

void Systick_Interrupt(u32 nms)
{
	SysTick->CTRL &=~(0x01<<2);//	选择时钟源（21M）
	SysTick->LOAD =21*nms*1000;//	设置重载值（LOAD）
  SysTick->VAL=0;//	写VAL（清除VAL，重装载，清标志）
	//使能中断（设置NVIC优先级，模块级中断使能）
	//设置优先级分组
	NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn,NVIC_EncodePriority (7-2, 2,2));
	//NVIC中断使能---系统滴答中断NVIC是必须响应，不需要再使能
	//NVIC_EnableIRQ(SysTick_IRQn);
	SysTick->CTRL |=0x01<<1;
	
	SysTick->CTRL |=0x01<<0;//	开启(使能)定时器
}
void SysTick_Handler(void)
{
	OSIntEnter();//告诉操作系统当前进入了中断服务函数
	OSTimeTick();
	OSIntExit();//告诉操作系统已经处理完了中断服务函数
}

主函数的编写

nt main(void)
{
	//各种模块的初始化
  LED_Init( );//LED初始化
	Key_Init( );
	Uart1_Init(84,115200);
	Systick_Interrupt(1000/OS_TICKS_PER_SEC);//TICK=5ms
	
	
	
	OSInit();//初始化 UCOS-II 内核
	
	//至少要创建一个任务
	
	
	GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_6);
	
	OSStart();//开启操作系统
						//一旦开启了操作系统，下面的代码就不会再执行了
	
	GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_6);
	GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9);
	
	while(1)
	{
			
	}
	
}

创建任务

调用 OSTaskCreate 创建一个任务，ucos会给这个任务分配一个任务控制块，任务控制块中记录了任务的任务函数地址，任务栈地址，任务的优先级，任务的状态。
如果成功创建一个任务，这个任务就处于了就绪状态。
不能在中断中创建任务，每个任务的优先级唯一，如果先后创建的两个任务的优先级一样，后一个任务创建会失败。任务的优先级不能低于最低优先级。
函数原型：
INT8U OSTaskCreate (
void (* task) (void *pd),
void *pdata,
OS_STK *ptos,
INT8U prio
)

参数说明：
1）task：函数指针，是“指向一个返回值类型为void,有一个形参为 void* 指针的函数的”指针。—–其实是就指向任务函数。
2）pdata：void* 指针，任务函数被调用需要传递实参，所传入参数就是这个参数，如果任务函数不需要使用这个参数，可以传递 0、NULL 或 (void*)0 。
3）ptos:任务栈（用户定义一个数组）顶部分，对于栈是递减方式，就是传递数组的最后一个元素地址，如果是递增，就是第0个元素地址。（ARM的CPU一般默认是递减的栈，所以看到的都是传入 最后一个 元素地址； 51单片的栈是递增的，所以51上使用ucOS传入的是第0个元素地址）。（一般不会在51上运行）
OS_STK 类型：实际上 unsigned int （对于32位平台），平台不同，长度不同，所以使用时候一般是使用 OS_STK 定义数组。
ptos空间最小不能小于17*4，如果任务函数局部变量比较多，还要更大；如果任务函数用到了浮点运算，一定要把栈设置成8字节对齐，否则出栈异常！
4）prio：任务的优先级。
ucOS2 范围是0~63，实际上是由 os_cfg.h 中宏 OS_LOWEST_PRIO 配置最大值（只能改小，不能改大）。
其中可用的优先级最低2个是内建任务使用，用户不能使用
最低优先级（等于 OS_LOWEST_PRIO）：空闲任务 — 当所有用户任务都不运行的时候，CPU在执行空闲任务，通俗说：所有人都不要它时候，给空闲任务收留它。
次低优先级（等于 OS_LOWEST_PRIO -1）：统计任务 — 统计CPU利用率。（该任务是可选择的，可裁剪的）。
ucOS 任务优先级不能相同，每个任务优先级都是惟一的。
（经验：建议最高前几个等级不要用，任务间优先级不要连续，考虑程序拓展性）

返回值说明：
1）成功：0，一般不直接使用数字，而使用ucOS提供宏判断执行结果。
OS_ERR_NONE //创建任务成功。

Returns    : OS_ERR_NONE             if the function was successful.
OS_ERR_PRIO_EXIST            if the task priority already exist
*                                      (each task MUST have a unique priority).
*          OS_ERR_PRIO_INVALID     if the priority you specify is higher that the maximum allowed
*                                      (i.e. >= OS_LOWEST_PRIO)
*          OS_ERR_TASK_CREATE_ISR  if you tried to create a task from an ISR.

具体代码请看示例

任务一个任务都必须有主动放弃CPU的动作，否则，比它优先级低的任务用于都得不到CPU。

任务函数: void Start_Task(void *pdata);