【ALIENTEK 战舰STM32开发板例程系列连载+教学】第五十八章 UCOSII实验1-任务调度
第五十八章 UCOSII实验1-任务调度
前面我们所有的例程都是跑的裸机程序(裸奔),从本章开始,我们将分3个章节向大家介绍UCOSII(实时多任务操作系统内核)的使用。本章,我们将向大家介绍UCOSII最基本也是最重要的应用:任务调度。本章分为如下几个部分:
58.1 UCOSII简介
58.2 硬件设计
58.3 软件设计
58.4 下载验证
58.1 UCOSII简介
UCOSII的前身是UCOS,最早出自于1992 年美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系统编程》杂志的5月和6月刊上刊登的文章连载,并把UCOS 的源码发布在该杂志的BBS 上。目前最新的版本:UCOSIII已经出来,但是现在使用最为广泛的还是UCOSII,本章我们主要针对UCOSII进行介绍。
UCOSII是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式、实时多任务内核,具有高度可移植性,特别适合于微处理器和控制器,是和很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(RTOS)。为了提供最好的移植性能,UCOSII最大程度上使用ANSI C语言进行开发,并且已经移植到近40多种处理器体系上,涵盖了从8位到64位各种CPU(包括DSP)。
关于UCOSII在STM32的详细移植,请参考光盘资料(《UCOSII在STM32的移植详解.pdf》),这里我们就不详细介绍了。
任务的调度其实就是CPU运行环境的切换,即:PC指针、SP指针和寄存器组等内容的存取过程,关于任务调度的详细介绍,请参考《嵌入式实时操作系统UCOSII原理及应用》一书第三章相关内容。
UCOSII的每个任务都是一个死循环。每个任务都处在以下 5种状态之一的状态下,这5种状态是:睡眠状态、 就绪状态、 运行状态、 等待状态(等待某一事件发生)和中断服务状态。
睡眠状态,任务在没有被配备任务控制块或被剥夺了任务控制块时的状态。
就绪状态,系统为任务配备了任务控制块且在任务就绪表中进行了就绪登记,任务已经准备好了,但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低, 还暂时不能运行,这时任务的状态叫做就绪状态。
运行状态,该任务获得CPU使用权,并正在运行中,此时的任务状态叫做运行状态。
等待状态,正在运行的任务,需要等待一段时间或需要等待一个事件发生再运行时,该任务就会把CPU的使用权让给别的任务而使任务进入等待状态。
中断服务状态,一个正在运行的任务一旦响应中断申请就会中止运行而去执行中断服务程序,这时任务的状态叫做中断服务状态。
每个任务都有自己的堆栈,堆栈必须申明为OS_STK类型,并且由连续的内存空间组成。可以静态分配堆栈空间,也可以动态分配堆栈空间。
OSTaskCreatExt也可以用来创建任务,详细介绍请参考《嵌入式实时操作系统UCOSII原理及应用》3.5.2节。
特别注意:任务不能随便删除,必须在确保被删除任务的资源被释放的前提下才能删除!
有任务挂起函数,就有任务恢复函数,通过该函数将被挂起的任务恢复,让调度器能够重新调度该函数。UCOSII提供的任务恢复函数原型为:INT8U OSTaskResume(INT8U prio)。
UCOSII与任务相关的函数我们就介绍这么多。最后,我们来看看在STM32上面运行UCOSII的步骤:
要想UCOSII在STM32正常运行,当然首先是需要移植UCOSII,这部分我们已经为大家做好了(参考光盘源码,想自己移植的,请参考光盘UCOSII资料)。
设置任务优先级,这个需要大家根据任务的重要性和实时性设置,记住高优先级的任务有优先使用CPU的权利。
调用OSInit,初始化UCOSII,通过调用OSTaskCreate函数创建我们的任务。
通过以上4个步骤,UCOSII就开始在STM32上面运行了,这里还需要注意我们必须对os_cfg.h进行部分配置,以满足我们自己的需要。
58.2 硬件设计
本节实验功能简介:本章我们在UCOSII里面创建3个任务:开始任务、LED0任务和LED1任务,开始任务用于创建其他(LED0和LED1)任务,之后挂起;LED0任务用于控制DS0的亮灭,DS0每秒钟亮80ms;LED1任务用于控制DS1的亮灭,DS1亮300ms,灭300ms,依次循环。
所要用到的硬件资源如下:
1) 指示灯DS0 、DS1
58.3 软件设计
本章,我们在第六章实验 (实验1 )的基础上修改,在该工程源码下面加入UCOSII文件夹,存放UCOSII源码(我们已经将UCOSII源码分为三个文件夹:CORE、PORT和CONFIG)。
打开工程,新建UCOSII-CORE、UCOSII-PORT和UCOSII-CONFIG三个分组,分别添加UCOSII三个文件夹下的源码,并将这三个文件夹加入头文件包含路径,最后得到工程如图58.3.1所示:
图58.3.1 添加UCOSII源码后的工程
UCOSII-CORE分组下面是UCOSII的核心源码,我们不需要做任何变动。
UCOSII-PORT分组下面是我们移植UCOSII要修改的3个代码,这个在移植的时候完成。
UCOSII-CONFIG分组下面是UCOSII的配置部分,主要由用户根据自己的需要对UCOSII进行裁剪或其他设置。
本章,我们对os_cfg.h里面定义OS_TICKS_PER_SEC的值为200,也就是设置UCOSII的时钟节拍为5ms,同时设置OS_MAX_TASKS为10,也就是最多10个任务(包括空闲任务和统计任务在内),其他配置我们就不详细介绍了,请参考本实验源码。
前面提到,我们需要在sys.h里面设置SYSTEM_SUPPORT_UCOS为1,以支持UCOSII,通过这个设置,我们不仅可以实现利用delay_init来初始化SYSTICK,产生UCOSII的系统时钟节拍,还可以让delay_us和delay_ms函数在UCOSII下能够正常使用(实现原理请参考5.1节),这使得我们之前的代码,可以十分方便的移植到UCOSII下。虽然UCOSII也提供了延时函数:OSTimeDly和OSTimeDLyHMSM,但是这两个函数的最少延时单位只能是1个UCOSII时钟节拍,在本章,即5ms,显然不能实现us级的延时,而us级的延时在很多时候非常有用:比如IIC模拟时序,DS18B20等单总线器件操作等。而通过我们提供的delay_us和delay_ms,则可以方便的提供us和ms的延时服务,这比UCOSII本身提供的延时函数更好用。
在设置SYSTEM_SUPPORT_UCOS为1之后,UCOSII的时钟节拍由SYSTICK的中断服务函数提供,该部分代码如下:
//systick中断服务函数,使用ucos时用到
void SysTick_Handler(void)
{
OSIntEnter(); //进入中断
OSTimeTick(); //调用ucos的时钟服务程序
OSIntExit(); //触发任务切换软中断
}
以上代码,其中OSIntEnter是进入中断服务函数,用来记录中断嵌套层数(OSIntNesting增加1);OSTimeTick是系统时钟节拍服务函数,在每个时钟节拍了解每个任务的延时状态,使已经到达延时时限的非挂起任务进入就绪状态;OSIntExit是退出中断服务函数,该函数可能触发一次任务切换(当OSIntNesting==0&&调度器未上锁&&就绪表最高优先级任务!=被中断的任务优先级时),否则继续返回原来的任务执行代码(如果OSIntNesting不为0,则减1)。
事实上,任何中断服务函数,我们都应该加上OSIntEnter和OSIntExit函数,这是因为UCOSII是一个可剥夺型的内核,中断服务子程序运行之后,系统会根据情况进行一次任务调度去运行优先级别最高的就绪任务,而并不一定接着运行被中断的任务!
最后,我们打开test.c,输入如下代码:
/UCOSII任务设置///
//START 任务
#define START_TASK_PRIO 10 //设置任务优先级
#define START_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK START_TASK_STK[START_STK_SIZE]; //任务堆栈
void start_task(void *pdata); //任务函数
//LED0任务
#define LED0_TASK_PRIO 7 //设置任务优先级
#define LED0_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE]; //任务堆栈
void led0_task(void *pdata); //任务函数
//LED1任务
#define LED1_TASK_PRIO 6 //设置任务优先级
#define LED1_STK_SIZE 64 //设置任务堆栈大小
OS_STK LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE]; //任务堆栈
void led1_task(void *pdata); //任务函数
//
int main(void)
{
Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置
delay_init(72); //延时初始化
LED_Init();
LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口
OSInit();
OSTaskCreate(start_task,(void *)0,(OS_STK *)&START_TASK_STK[START_STK_SIZE
-1],START_TASK_PRIO );//创建起始任务
OSStart();
}
//开始任务
void start_task(void *pdata)
{
OS_CPU_SR cpu_sr=0;
pdata = pdata;
OS_ENTER_CRITICAL(); //进入临界区(无法被中断打断)
OSTaskCreate(led0_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED0_TASK_STK[LED0_STK_SIZE-1],
LED0_TASK_PRIO);
OSTaskCreate(led1_task,(void *)0,(OS_STK*)&LED1_TASK_STK[LED1_STK_SIZE-1],
LED1_TASK_PRIO);
OSTaskSuspend(START_TASK_PRIO); //挂起起始任务.
OS_EXIT_CRITICAL(); //退出临界区(可以被中断打断)
}
//LED0任务
void led0_task(void *pdata)
{
while(1)
{
LED0=0; delay_ms(80);
LED0=1; delay_ms(920);
};
}
//LED1任务
void led1_task(void *pdata)
{
while(1)
{
LED1=0; delay_ms(300);
LED1=1; delay_ms(300);
};
}
该部分代码我们创建了3个任务:start_task、led0_task和led1_task,优先级分别是10、7和6,堆栈大小都是64(注意OS_STK为32位数据)。我们在main函数只创建了start_task一个任务,然后在start_task再创建另外两个任务,在创建之后将自身(start_task)挂起。这里,我们单独创建start_task,是为了提供一个单一任务,实现应用程序开始运行之前的准备工作(比如:外设初始化、创建信号量、创建邮箱、创建消息队列、创建信号量集、创建任务、初始化统计任务等等)。
在应用程序中经常有一些代码段必须不受任何干扰地连续运行,这样的代码段叫做临界段(或临界区)。因此,为了使临界段在运行时不受中断所打断,在临界段代码前必须用关中断指令使CPU屏蔽中断请求,而在临界段代码后必须用开中断指令解除屏蔽使得CPU可以响应中断请求。UCOSII提供OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL两个宏来实现,这两个宏需要我们在移植UCOSII的时候实现,本章我们采用方法3(即OS_CRITICAL_METHOD为3)来实现这两个宏。因为临界段代码不能被中断打断,将严重影响系统的实时性,所以临界段代码越短越好!
在start_task任务中,我们在创建led0_task和led1_task的时候,不希望中断打断,故使用了临界区。其他两个任务,就十分简单了,我们就不细说了,注意我们这里使用的延时函数还是delay_ms,而不是直接使用的OSTimeDly。
另外,一个任务里面一般是必须有延时函数的,以释放CPU使用权,否则可能导致低优先级的任务因高优先级的任务不释放CPU使用权而一直无法得到CPU使用权,从而无法运行。
软件设计部分就为大家介绍到这里。
58.4 下载验证
在代码编译成功之后,我们通过下载代码到战舰STM32开发板上,可以看到DS0一秒钟闪一次,而DS1则以固定的频率闪烁,说明两个任务(led0_task和led1_task)都已经正常运行了,符合我们预期的设计。
http://www.openedv.com/posts/list/14905.htm
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