2、嵌入式学习之uCOS-II基础入门

内核（Kernel）

多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换。之所以使用实时内核可以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务，由实时内核来管理它们。

内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加ROM的用量，内核本身的数据结构增加了RAM的用量。但更主要的是，每个任务要有自己的栈空间，这一块吃起内存来是相当厉害的。内核本身对CPU的占用时间一般在2到5个百分点之间。

单片机一般不能运行实时内核，因为单片机的RAM很有限。通过提供必不可缺少 的系统服务，诸如信号量管理，邮箱、消息队列、延时等，实时内核使得CPU的利用更为有效。一旦读者用实时内核做过系统设计，将决不再想返回到前后台系统。

 

调度（Scheduler）

调度（Scheduler）,英文还有一词叫dispatcher，也是调度的意思。这是内核的主要职责之一，就是要决定该轮到哪个任务运行了。多数实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的优先级。基于优先级的调度法指，CPU总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。然而，究竟何时让高优先级任务掌握CPU的使用权，有两种不同的情况，这要看用的是什么类型的内核，是不可剥夺型的还是可剥夺型内核。

 

不可剥夺型内核（Non-Preemptive Kernel）

不可剥夺型内核要求每个任务自我放弃CPU的所有权。不可剥夺型调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个CPU。异步事件还是由中断服务来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务，直到该任务主动放弃CPU的使用权时，那个高优先级的任务才能获得CPU的使用权。

不可剥夺型内核的一个优点是响应中断快。在讨论中断响应时会进一步涉及这个问题。在任务级，不可剥夺型内核允许使用不可重入函数。函数的可重入性以后会讨论。每个任务都可以调用非可重入性函数，而不必担心其它任务可能正在使用该函数，从而造成数据的破坏。因为每个任务要运行到完成时才释放CPU的控制权。当然该不可重入型函数本身不得有放弃CPU控制权的企图。

 使用不可剥夺型内核时，任务级响应时间比前后台系统快得多。此时的任务级响应时间取决于最长的任务执行时间。

不可剥夺型内核的另一个优点是，几乎不需要使用信号量保护共享数据。运行着的任务占有CPU，而不必担心被别的任务抢占。但这也不是绝对的，在某种情况下，信号量还是用得着的。处理共享I/O设备时仍需要使用互斥型信号量。例如，在打印机的使用上，仍需要满足互斥条件。图2.1示意不可剥夺型内核的运行情况，任务在运行过程之中，[L2.1(1)]中断来了，如果此时中断是开着的，CPU由中断向量[F2.1(2)]进入中断服务子程序，中断服务子程序做事件处理[F2.1(3)]，使一个有更高级的任务进入就绪态。中断服务完成以后，中断返回指令[F2.1(4)], 使CPU回到原来被中断的任务，接着执行该任务的代码[F2.1(5)]直到该任务完成，调用一个内核服务函数以释放CPU控制权，由内核将控制权交给那个优先级更高的、并已进入就绪态的任务[F2.1(6)]，这个优先级更高的任务才开始处理中断服务程序标识的事件[F2.1(7)]。    

                                                        图2.1不可剥夺型内核

不可剥夺型内核的最大缺陷在于其响应时间。高优先级的任务已经进入就绪态，但还不能运行，要等，也许要等很长时间，直到当前运行着的任务释放CPU。与前后系统一样，

不可剥夺型内核的任务级响应时间是不确定的，不知道什么时候最高优先级的任务才能拿到CPU的控制权，完全取决于应用程序什么时候释放CPU。

总之，不可剥夺型内核允许每个任务运行，直到该任务自愿放弃CPU的控制权。中断可以打入运行着的任务。中断服务完成以后将CPU控制权还给被中断了的任务。任务级响应时间要大大好于前后系统，但仍是不可知的，商业软件几乎没有不可剥夺型内核。

 

可剥夺型内核

当系统响应时间很重要时，要使用可剥夺型内核。因此，μC/OS-Ⅱ以及绝大多数商业上销售的实时内核都是可剥夺型内核。最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态，当前任务的CPU使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了CPU的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。如图2.2所示。

                                          图2.2可剥夺型内核

使用可剥夺型内核，最高优先级的任务什么时候可以执行，可以得到CPU的控制权是可知的。使用可剥夺型内核使得任务级响应时间得以最优化。

    使用可剥夺型内核时，应用程序不应直接使用不可重入型函数。调用不可重入型函数时，要满足互斥条件，这一点可以用互斥型信号量来实现。如果调用不可重入型函数时，低优先级的任务CPU的使用权被高优先级任务剥夺，不可重入型函数中的数据有可能被破坏。综上所述，可剥夺型内核总是让就绪态的高优先级的任务先运行，中断服务程序可以抢占CPU，到中断服务完成时，内核让此时优先级最高的任务运行（不一定是那个被中断了的任务）。任务级系统响应时间得到了最优化，且是可知的。μC/OS-Ⅱ属于可剥夺型内核。

 

 可重入性（Reentrancy）

       可重入型函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据的破坏。可重入型函数任何时候都可以被中断，一段时间以后又可以运行，而相应数据不会丢失。可重入型函数或者只使用局部变量，即变量保存在CPU寄存器中或堆栈中。如果使用全局变量，则要对全局变量予以保护。程序2.11是一个可重入型函数的例子。

//程序清单2.11可重入型函数
void strcpy(char *dest, char *src)
{
    while (*dest++ = *src++) 
    {
        ;
    }

    *dest = NUL;
}

     函数Strcpy()做字符串复制。因为参数是存在堆栈中的，故函数Strcpy()可以被多个任务调用，而不必担心各任务调用函数期间会互相破坏对方的指针。    不可重入型函数的例子如程序2.12所示。Swap()是一个简单函数，它使函数的两个形式变量的值互换。为便于讨论，假定使用的是可剥夺型内核，中断是开着的，Temp定义为整数全程变量。
 

 //程序清单 2.12    不可重入型函数

int Temp;

void swap(int *x, int *y)
{
    Temp = *x;

    *x   = *y;

    *y   = Temp;
}

       程序员打算让Swap() 函数可以为任何任务所调用，如果一个低优先级的任务正在执行Swap()函数，而此时中断发生了，于是可能发生的事情如图2.6所示。[F2.3(1)]表示中断发生时Temp已被赋值1，中断服务子程序使更优先级的任务就绪，当中断完成时[F2.3(2)]，内核（假定使用的是μC/OS-Ⅱ）使高优先级的那个任务得以运行[F2.3(3)],高优先级的任务调用Swap()函数是Temp赋值为3。这对该任务本身来说，实现两个变量的交换是没有问题的，交换后Z的值是4，X的值是3。然后高优先级的任务通过调用内核服务函数中的延迟一个时钟节拍[F2.3(4)],释放了CPU的使用权，低优先级任务得以继续运行[F2.3(5)].注意，此时Temp的值仍为3！在低优先级任务接着运行时，Y的值被错误地赋为3，而不是正确值1。

                                           图2.3不可重入性函数

    请注意，这只是一个简单的例子，如何能使代码具有可重入性一看就明白。然而有些情况下，问题并非那么易解。应用程序中的不可重入函数引起的错误很可能在测试时发现不了，直到产品到了现场问题才出现。如果在多任务上您还是把新手，使用不可重入型函数时，千万要当心。

    使用以下技术之一即可使Swap()函数具有可重入性：

 

l  把Temp定义为局部变量

l  调用Swap()函数之前关中断，调动后再开中断

l  用信号量禁止该函数在使用过程中被再次调用

 

如果中断发生在Swap()函数调用之前或调用之后，两个任务中的X，Y值都会是正确的。