自己仿写一个ucosii （一）

简单谈谈我对uc的一些认识级对于部分源码的分析和调试，作为对近一段时间学习的阶段性总结。下文将分两部分介绍，前半部分主要谈谈我个人对一些问题的认识以及一些疑惑，后半部分是通过阅读ucosii，按照ucosii的思路自己编写或者调试的一些源码的分析，这些源码可以实现任务按照优先级定时切换（MDK+stm32）。

1.ucosii有什么作用，和裸机的区别

uc是一个实时操作系统，很长一段时间以来我一直在纠结这个东西是干嘛用的，单片机不是有中断吗，为什么非要用这个东西来完成中断的功能呢？

先谈谈我们比较熟悉的裸机开发，使用一个while（1）配合一些中断来响应事件。但是我们知道，单片机的中断资源是有限的，并且多是用来响应外部事件。另外，中断中使用的全局变量，不可重入性也容易使系统产生问题，造成不确定性。而且中断时间不能过长，使得任务的吞吐量不能太大，而中断之间的相互嵌套也容易使程序出现问题。所以，在需要及时处理复杂或者耗时任务的时候（简单任务while循环的实时性好像不比uc差），及时响应任务并进行处理，这种普通的模式效果就比较差了。而uc有个好处就是它可以随时切换任务，每个任务的执行有固定的时间，通过操作系统统一的TimeTick可以有效统一任务运行的时间，这样就不会出现一个任务长期占据cpu而其他任务得不到运行的情况，我们可以通过调用uc的API来控制每个任务的运行。多任务还有个好处就是把复杂的程序拆成几个任务，这样管理相对方便，容易修改和扩展，否则复杂些几千行的while循环程序一旦完成，想再扩展就变得灰常麻烦。从另一方面讲，在做一些简单的东西的时候，不需要实时性的时候，感觉不使用uc反而更简单一些。想想既然NASA都在使用ucosii，这个东西肯定有它的价值的，学明白了肯定是有用的。

2.ucosii的数据结构简析

uc中的数据结构不是动态创建的，所以，在初始化操作系统的时候（OSInit (void)），要做的就是初始化这些数据结构。 其中又可以分为两个部分，第一是初始化全局变量，包括

    OSTime = 0uL;    时间记录，TimeTick中自增    

    OSIntNesting = 0u;  中断嵌套层数，用于记录中断嵌套，中断中不允许任务调度                   

    OSLockNesting = 0u;  调度锁       

    OSTaskCtr = 0u;      当前任务数    

    OSRunning = OS_FALSE;     操作系统禁止，在OSStart();中开启        

    OSCtxSwCtr                = 0u;  任务切换数      

    OSIdleCtr                 = 0uL;   空闲任务数     

#if OS_TASK_STAT_EN > 0u                           后面几个没弄过，待查

    OSIdleCtrRun              = 0uL;

    OSIdleCtrMax              = 0uL;

    OSStatRdy                 = OS_FALSE;                  

#endif

#ifdef OS_SAFETY_CRITICAL_IEC61508

    OSSafetyCriticalStartFlag = OS_FALSE;               

#endif

初始化完全局变量，就开始初始化各种链表，清空它们的内容然后穿起来。其中主要包括 任务控制块，消息块， 信号量集块，内存块几个主要块，uc的工作主要就靠它们了。

其中任务控制块是重中之重，用于记录任务的属性以及存储空间。在下文中具体分析其各变量的作用。

消息块主要用于任务同步，也就是任务间相互发送消息。

其中信号量用于协调共享资源的访问，说的简单点就是一个东西我用完了你再用。如果我正用着，这时候轮你用了，但是我没把权限给你（post），到你了你也不能用（pend）。这样就可以避免由不同任务同时访问一个资源而出错。

互斥信号量这个名字很奇怪，信号量的作用本来不就是互斥吗？互斥信号量是为了避免优先级反转用的。假设任务A,B,C优先级递增，A,C同时访问一个资源。如果使用信号量，当C访问资源时，如果C没来得及释放信号量，由于超时或者其他函数中有任务调度函数而发生任务调度时，A由于得不到C手中的信号量，任务不能执行，只能执行B任务了。这咋看没什么问题，但是仔细想想，当前任务优先级最高的A已经就绪但是不能运行，反而优先级低的B运行了，这优先级不是白设置了吗！究其原因，主要是C的问题，你作为最低的优先级，拿着信号量的时候发生任务调度，肯定不能再运行你自己了吧，信号量送不出去，最高的优先级的A只能干等，所以自然给了B。

哦，那你说上个锁算了，C运行的时候咱们谁也别打扰，目测这个办法也行，有待实验。                                

任务在获取互斥信号量后，可以把优先级提到最高，这样就可以避免被调度到B，直到

C释放了信号量。这是A优先级最高，信号量又没有被占用，OK，正常运行。

消息邮箱也是个信号量，不过它的作用是任务间通信，你可以通过它传递一个消息指针（*msg），这个指针你爱指什么指什么，反正你的任务指哪里，我的任务从哪里读取，你给我发邮件，我就去那里读，这样就可以互相通信了。不过必须等我post了，你pend上了才能成功读取，这可不是随便写个全局变量就可以随便读取的。可见，这也是一种消息间的协调机制。

消息队列我也不大清楚干什么用的，它能发好几个消息，每个任务只能读一个，下一个任务读下一个，至于做什么用的，有待深入学习。

信号量集也是一种任务间的通信方式，但是它的数据结构有别与消息类的。信号量集是在满足多个条件后触发一个任务的运行。如果说信号量是一把钥匙，信号量集就是多把钥匙，同时满足才能开门。另外，使用时要注意这个条件不是相加，而是按位相同。

最后时内存控制块，感觉像是uc的malloc和free，没用过。

3.任务调度时堆栈是个什么

我们知道，正常情况下我们写的函数中堆栈空间是由编译器自动分配的，那在任务里写函数为什么就要手动分配堆栈空间呢？这个堆栈中到底存储了什么东西呢。

通过阅读任务控制块代码我们可以知道，任务控制块中为我们提供一个函数指针，这个指针指向我们的任务，只要将这个指针的地址写入相应寄存器，那么程序就会自动运行到这个函数。但是我们注意，只有函数在被main直接或者间接调用时，计算机才会为函数分配响应内存空间，而我们现在只是用一个指针指向了这段即将运行的代码，至于空间，有可能是随意一段内存空间，体现在程序上就是函数中的局部变量和函数内部调用的函数所需要的数据，全都会保存在任意一段内存空间，覆盖有用数据，在M3上，这种随意侵蚀内存的行为将会引发错误中断，程序无法正常使用。同样的道理，这就好比我们定义数组时必须指定空间大小，如果随意定义一个指针然后对其所指空间赋值，极有可能引起严重错误。

至于任务空间大小，要看其全局变量和函数嵌套层数来定义，函数嵌套是需要很多内存空间的，嵌套层数越多，需要的空间越大。另外好像空间大小都是64,128,256这样的整形，我们打开debug窗口硬件仿真时也会发现，这些堆栈大小好像正好是64等整数，原因待查。

4.关于为什么不使用调度锁而使用互斥信号量的又一种解释

互斥信号量我们可以暂时提高当前任务的优先级，也就是说，我们可以把当前任务优先级提高到最高。同样，我们也可以不提高到最高，如果有优先级高于上文中提到的A任务的优先级的任务Z，如果我们使用调度锁，Z任务也是不能被调度的。而使用互斥信号量，

我们可以把互斥任务优先级提高到高于A但是低于Z的级别，这样既不会出现优先级反转的现象，同时还能及时响应任务Z。

（未完待续）

程序源码分析：

以下源码是借鉴uc，使用比较简单的方式实现的一个任务调度模块，在MDK下调试，芯片为STM32F103ZET6。可以实现任务定时切换，简要描述了ucosii的任务调度基本功能。底层代码使用uc官方移植文件。