2020-10-28_μC/OS实时系统的实现:多任务

1、无操作系统的程序中,通常就是一个main()函数,所有的操作都在这个函数里面顺序、无限重复的运行,如果要实现多个模块功能,就只能按照先后顺序一个一个的执行,即便把某些功能用中断的方式实现,排在后面的程序段也会因为前面程序段的执行,造成很长的延时,在多个模块需要及时响应时,就会很难进行比较合理的设计。


2、μC/OS实时系统的基本原理:

(1)把需要实现的功能细分成多个子模块,称为“任务”。

(2)设置一个系统定时器,每隔一个固定的时间间隔,进行一次任务切换(不需要等任务完全执行完一遍,只要定时到了,就切换到下一个任务)。

(3)定时器的时间间隔设置合理,一般为ms级,这样在一个比较长的时间段内(秒或分级),从宏观上看,所有的任务看起来都在执行,从而实现“实时”的效果。

(4)不同的任务有不同的优先级次,优先级高的会先执行或优先执行;所有任务都需要在合理的时候进行一段自身延时,以便让出CPU使用权,进行任务切换。


3、任务的构成和管理方法:

(1)在无操作系统的程序里面,要实现功能模块的切换,有两种方法,中断和跳转,但其本质都是通过改变PC和入/出栈的方式来实现的。所以任务的切换实际上就是对PC和栈的操作,任务的管理就是建立一套数据结构来对多个任务的PC、栈数据进行保存、恢复、删除等操作。

(2)第(1)步中说到的数据结构就是“任务控制块”,它不是具体的功能模块,而是系统管理任务所需要的数据结构(一个结构体数据)。一个“任务控制块”就是控制一个任务所需的必要信息集合,它包括了任务函数的入口地址,任务函数的堆栈地址、任务优先级次等,每个任务都有一个“任务控制块”,多个“任务控制块”又形成一个链表,所以它里面还包含了这个链表的前一个控制块、后一个控制块的地址(指针)数据,以便于系统对“控制块”进行查找。

(3)由于每个任务都相当于一个main()函数,所以每个任务都必须配套一个栈,用来保存其运行过程中的寄存器状态,“任务控制块”里面的栈地址就是指向这个任务栈的。在第一次进入任务和过程中切换出去、切换回来,都涉及到对这个栈空间的入栈、出栈操作。

(4)任务调度器建立两站表,一张存放任务对应的“任务控制块”地址,一张存放任务优先级,两张表按照优先级先后顺序一一对应,任务需要切换时,调度器查找“优先级”表中除去当前任务外,最高优先级的任务优先级,然后对照第一张表,找到这个任务的“任务控制块”,最后根据“任务控制块”所记录的任务信息,进行PC跳转、入栈/出栈,实现切换。

(5)μC/OS系统里面除了任务切换外,还针对任务通信和同步,增加了消息管理机制;集成了动态内存管理模块。丰富和完善了作为一个操作系统应该具备的基础架构。

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