ucosii源码分析

uC/OS-II main函数的大致流程如下:
main(){
 OSInit();
 TaskCreate(...);
 OSStart();
}

OSInit()函数用来初始化内核,必须首先调用。建立两个任务:空闲任务(其他任务都未就绪时运行),统计任务(计算CPU的利用率)。

void  OSInit (void)
{
    OSInitHookBegin();                                           /* 调用用户特定的初始化代码(通过一个接口函数实现用户要求的插件式进入系统中)*/
    OS_InitMisc();                                               /* 初始化变量*/
    OS_InitRdyList();                                            /* 初始化就绪列表*/
    OS_InitTCBList();                                            /* 初始化OS_TCB空闲列表*/
    OS_InitEventList();                                          /* 初始化OS_EVENT空闲列表*/
#if (OS_FLAG_EN > 0) && (OS_MAX_FLAGS > 0)                        //允许事件标志
    OS_FlagInit();                                               /* 初始化事件标志结构*/
#endif
#if (OS_MEM_EN > 0) && (OS_MAX_MEM_PART > 0)                    //允许内存管理
    OS_MemInit();                                                /* 初始化内存管理器*/
#endif
#if (OS_Q_EN > 0) && (OS_MAX_QS > 0)                            //允许消息队列
    OS_QInit();                                                  /* 初始化消息队列结构*/
#endif
    OS_InitTaskIdle();                                           /*创建空闲任务*/
#if OS_TASK_STAT_EN > 0
    OS_InitTaskStat();                                           /* 创建统计任务*/
#endif
#if OS_TMR_EN > 0                                                //允许时间管理
    OSTmr_Init();                                                /* 初始化时间管理器*/
#endif
    OSInitHookEnd();                                             /*调用用户特定的初始化代码(参考OSInitHookBegin())*/

#if OS_DEBUG_EN > 0                                                //允许Debug
    OSDebugInit();                                                //初始化调试器
#endif    
}

进入OSInit()来围观一下~~

首先是OS_InitMisc (),OS_InitMisc 的主要作用是对一些其他的变量进行初始化,主要包括下面这些变量:

static  void  OS_InitMisc (void)
{
#if OS_TIME_GET_SET_EN > 0
    OSTime        = 0L;                                    /* 32位的系统时钟清零*/
#endif
    OSIntNesting  = 0;                                     /* 中断嵌套层数计数器清零*/
    OSLockNesting = 0;                                     /* 调度器锁的嵌套层数计数器清零*/
    OSTaskCtr     = 0;                                     /* 任务数清零*/
    OSRunning     = OS_FALSE;                              /* 指明多任务未开始*/
    OSCtxSwCtr    = 0;                                     /* 任务切换次数计数器清零*/
    OSIdleCtr     = 0L;                                    /* 32位空闲计数器清零*/
#if OS_TASK_STAT_EN > 0                                    /* 运行统计任务*/
    OSIdleCtrRun  = 0L;
    OSIdleCtrMax  = 0L;
    OSStatRdy     = OS_FALSE;                              /* 统计任务未就绪*/
#endif
}
接下来初始化任务就绪队列,任务的切换依靠任务队列。OS_InitRdyList()函数主要涉及就虚队列,任务就绪表,任务指针和任务控制块指针的初始化。
static  void  OS_InitRdyList (void)
{
    INT16U   i;
    INT8U   *prdytbl;


    OSRdyGrp      = 0x00;                                        /* 清空就绪队列 */
    prdytbl       = &OSRdyTbl[0];<span style="white-space:pre">				</span>  <pre name="code" class="cpp">    
    for (i = 0; i < OS_RDY_TBL_SIZE; i++) {                      /*清空任务就绪表*/
*prdytbl++ = 0x00; } OSPrioCur = 0; /* 当前任务指针初始化 */ OSPrioHighRdy = 0; /* 最高优先级任务指针初始化 */ OSTCBHighRdy = (OS_TCB *)0; /* 最高级任务控制块指针初始化 */ OSTCBCur = (OS_TCB *)0; /* 当前任务控制块指针初始化 */}


任务控制块队列初始化~~~

static  void  OS_InitTCBList (void)
{
    INT8U    i;
    OS_TCB  *ptcb1;
    OS_TCB  *ptcb2;


    OSTCBList     = (OS_TCB *)0;                                 /* TCB初始化*/
    for (i = 0; i < (OS_LOWEST_PRIO + 1); i++) {                 /* 清空任务优先级表*/
        OSTCBPrioTbl[i] = (OS_TCB *)0;
    }
    ptcb1 = &OSTCBTbl[0];
    ptcb2 = &OSTCBTbl[1];
    for (i = 0; i < (OS_MAX_TASKS + OS_N_SYS_TASKS - 1); i++) {  /* 初始化TCB指针*/
        ptcb1->OSTCBNext = ptcb2;
        ptcb1++;
        ptcb2++;
    }
    ptcb1->OSTCBNext = (OS_TCB *)0;                              /* 将最后指针的Next设为空*/
    OSTCBFreeList    = &OSTCBTbl[0];
}
事件空闲列表初始化:
static  void  OS_InitEventList (void)
{
#if (OS_EVENT_EN > 0) && (OS_MAX_EVENTS > 0)
#if (OS_MAX_EVENTS > 1)
    INT16U     i;
    OS_EVENT  *pevent1;
    OS_EVENT  *pevent2;


    pevent1 = &OSEventTbl[0];
    pevent2 = &OSEventTbl[1];
    for (i = 0; i < (OS_MAX_EVENTS - 1); i++) {                  /*初始化事件控制块 */
        pevent1->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
        pevent1->OSEventPtr  = pevent2;
        pevent1++;
        pevent2++;
    }
    pevent1->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
    pevent1->OSEventPtr  = (OS_EVENT *)0;
    OSEventFreeList      = &OSEventTbl[0];
#else
    OSEventFreeList              = &OSEventTbl[0];               
    OSEventFreeList->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
    OSEventFreeList->OSEventPtr  = (OS_EVENT *)0;
#endif
#endif
}
中间部分略过~~接下来看OS_InitTaskIdle和OS_InitTaskStat。

空闲任务和统计任务建立的代码基本一样,只是统计任务的优先级比空闲任务大1,

static  void  OS_InitTaskIdle (void)
{
#if OS_TASK_NAME_SIZE > 7 //
    INT8U  err;
#endif
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0    //使用扩展的OSTaskCreateExt来创建
#if OS_STK_GROWTH == 1    //任务堆栈从底部向顶部增长的方向有两种:表示从大到小,表示从小到大
    (void)OSTaskCreateExt(OS_TaskIdle,
        (void *)0,                                 /* 没有参数传给OS_TaskIdle() */
        &OSTaskIdleStk[OS_TASK_IDLE_STK_SIZE - 1], /*设置堆栈顶*/
        OS_TASK_IDLE_PRIO,                         /* 优先级设置为最低*/
        OS_TASK_IDLE_ID,                          //设置ID
        &OSTaskIdleStk[0],                         /* 设置栈底*/
        OS_TASK_IDLE_STK_SIZE,                      //设置栈大小
        (void *)0,                                 /* 没有TCB扩展数据结构                 
        OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR);/* 允许堆栈检测和清空堆栈*/
#else
    (void)OSTaskCreateExt(OS_TaskIdle,
        (void *)0,                                 /* No arguments passed to OS_TaskIdle() */
        &OSTaskIdleStk[0],                         /* Set Top-Of-Stack                     
        OS_TASK_IDLE_PRIO,                         /* Lowest priority level                
        OS_TASK_IDLE_ID,
        &OSTaskIdleStk[OS_TASK_IDLE_STK_SIZE - 1], /* Set Bottom-Of-Stack                  */
        OS_TASK_IDLE_STK_SIZE,
        (void *)0,                                 /* No TCB extension                     
        OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR);/* Enable stack checking + clear stack  */
#endif
#else    //使用不带扩展性的OSTaskCreate创建
#if OS_STK_GROWTH == 1
    (void)OSTaskCreate(OS_TaskIdle,
        (void *)0,
        &OSTaskIdleStk[OS_TASK_IDLE_STK_SIZE - 1],
        OS_TASK_IDLE_PRIO);
#else
    (void)OSTaskCreate(OS_TaskIdle,
        (void *)0,
        &OSTaskIdleStk[0],
        OS_TASK_IDLE_PRIO);
#endif
#endif
//设置任务名称
#if OS_TASK_NAME_SIZE > 14
    OSTaskNameSet(OS_TASK_IDLE_PRIO, (INT8U *)"uC/OS-II Idle", &err);
#else
#if OS_TASK_NAME_SIZE > 7
    OSTaskNameSet(OS_TASK_IDLE_PRIO, (INT8U *)"OS-Idle", &err);
#endif
#endif
}

初始化基本完成了,然后我们返回main函数

OSTaskCreate负责创建Task所需的数据结构,该函数原形如下所示:

INT8U  OSTaskCreate (void (*task)(void *pd), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT8U prio)
参数说明:

task:函数指针,指向该Task所开始的函数,当这个Task第一次被调度运行时将会从task处开始运行。

p_arg:传给task的参数指针;

ptos:堆栈指针,指向栈顶(堆栈从上往下)或栈底(堆栈从下往上);

prio:进程的优先级,uC/OS-II共支持最大64个优先级,其中最低的两个优先级给Idle和Stat进程,并且各个Task的优先级必须不同。

接下来,我们看看这个函数的执行流程:

#if OS_ARG_CHK_EN > 0
    if (prio > OS_LOWEST_PRIO) {             /* Make sure priority is within allowable range           */
        return (OS_PRIO_INVALID);
    }
#endif
    OS_ENTER_CRITICAL();
    if (OSIntNesting > 0) {                  /* Make sure we don't create the task from within an ISR  */
        OS_EXIT_CRITICAL();
        return (OS_ERR_TASK_CREATE_ISR);
    }
    if (OSTCBPrioTbl[prio] == (OS_TCB *)0) { /* Make sure task doesn't already exist at this priority  */
        OSTCBPrioTbl[prio] = (OS_TCB *)1;    /* Reserve the priority to prevent others from doing ...  */
                                             /* ... the same thing until task is created.              */
        OS_EXIT_CRITICAL();
        psp = (OS_STK *)OSTaskStkInit(task, p_arg, ptos, 0);    /* Initialize the task's stack         */
        err = OS_TCBInit(prio, psp, (OS_STK *)0, 0, 0, (void *)0, 0);
        if (err == OS_NO_ERR) {
            if (OSRunning == TRUE) {         /* Find highest priority task if multitasking has started */
                OS_Sched();
            }
        } else {
            OS_ENTER_CRITICAL();
            OSTCBPrioTbl[prio] = (OS_TCB *)0;/* Make this priority available to others                 */
            OS_EXIT_CRITICAL();
        }
        return (err);
    }
    OS_EXIT_CRITICAL();
    return (OS_PRIO_EXIST);
OS_LOWEST_PRIO在ucos-ii.h中被定义为63,表示Task的优先级从0到63,共64级。首先判断prio是否超过最低优先级,如果是,则返回OS_PRIO_INVALID错误。防止优先级低于63。
然后调用OS_ENTER_CRITICAL(),进入临界段,在临界段中的代码执行不允许被中断。这个宏是用户自定义的,一般是进行关中断操作。
OSTaskCreate不允许在中断中调用,因此会判断OSIntNesting是否大于0,如果大于0,表示正在中断嵌套,返回OS_ERR_TASK_CREATE_ISR错误。
接着判断该prio是否已经有Task存在,由于uC/OS-II只支持每一个优先级一个Task,因此如果该prio已经有进程存在,OSTaskCreate会返回OS_PRIO_EXIST错误。
相反,如果该prio先前没有Task存在,则将OSTCBPrioTbl[prio]置1,表示该prio已被占用,然后调用OSTaskStkInit初始化堆栈,调用OS_TCBInit初始化TCB,如果OSRunning为TRUE表示OS正在运行,则调用OS_Sched进行进程调度;否则返回。
下面来看看OSTaskStkInit和OS_TCBInit这两个函数。
OSTaskStkInit是一个用户自定义的函数,因为uC/OS-II在设计时无法知道当前处理器在进行进程调度时需要保存那些信息,OSTaskStkInit就是初始化堆栈,让Task看起来就好像刚刚进入中断并保存好寄存器的值一样,当OS_Sched调度到该Task时,只需切换到该堆栈中,将寄存器值Pop出来,然后执行一个中断返回指令IRET即可。
OSTaskStkInit的原型如下:
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
和OSTaskCreate类似,task是进程入口地址,pdata是参数地址,ptos是堆栈指针,而opt只是作为一个预留的参数Option而保留。返回的是调整以后的堆栈指针。
在OSTaskStkInit中,一般是将pdata入栈,flag入栈,task入栈,然后将各寄存器依次入栈。

OS_TCBInit初始化TCB数据结构,下面只提取主要部分来看:

INT8U  OS_TCBInit (INT8U prio, OS_STK *ptos, OS_STK *pbos, INT16U id, INT32U stk_size, void *pext, INT16U opt)
{
    OS_TCB    *ptcb;
   
    OS_ENTER_CRITICAL();
    ptcb = OSTCBFreeList;                                  /* Get a free TCB from the free TCB list    */
    if (ptcb != (OS_TCB *)0) {
        OSTCBFreeList        = ptcb->OSTCBNext;            /* Update pointer to free TCB list          */
        OS_EXIT_CRITICAL();
        ptcb->OSTCBStkPtr    = ptos;                       /* Load Stack pointer in TCB                */
        ptcb->OSTCBPrio      = prio;                       /* Load task priority into TCB              */
        ptcb->OSTCBStat      = OS_STAT_RDY;                /* Task is ready to run                     */
        ptcb->OSTCBPendTO    = FALSE;                      /* Clear the Pend timeout flag              */
        ptcb->OSTCBDly       = 0;                          /* Task is not delayed                      */
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0
        ptcb->OSTCBExtPtr    = pext;                       /* Store pointer to TCB extension           */
        ptcb->OSTCBStkSize   = stk_size;                   /* Store stack size                         */
        ptcb->OSTCBStkBottom = pbos;                       /* Store pointer to bottom of stack         */
        ptcb->OSTCBOpt       = opt;                        /* Store task options                       */
        ptcb->OSTCBId        = id;                         /* Store task ID                            */
#else
        pext                 = pext;                       /* Prevent compiler warning if not used     */
        stk_size             = stk_size;
        pbos                 = pbos;
        opt                  = opt;
        id                   = id;
#endif
#if OS_TASK_DEL_EN > 0
        ptcb->OSTCBDelReq    = OS_NO_ERR;
#endif
        ptcb->OSTCBY         = (INT8U)(prio >> 3);         /* Pre-compute X, Y, BitX and BitY          */
        ptcb->OSTCBBitY      = OSMapTbl[ptcb->OSTCBY];
        ptcb->OSTCBX         = (INT8U)(prio & 0x07);
        ptcb->OSTCBBitX      = OSMapTbl[ptcb->OSTCBX];
#if OS_EVENT_EN
        ptcb->OSTCBEventPtr  = (OS_EVENT *)0;              /* Task is not pending on an event          */
#endif
        OSTaskCreateHook(ptcb);                            /* Call user defined hook                   */
        
        OS_ENTER_CRITICAL();
        OSTCBPrioTbl[prio] = ptcb;
        ptcb->OSTCBNext    = OSTCBList;                    /* Link into TCB chain                      */
        ptcb->OSTCBPrev    = (OS_TCB *)0;
        if (OSTCBList != (OS_TCB *)0) {
            OSTCBList->OSTCBPrev = ptcb;
        }
        OSTCBList               = ptcb;
        OSRdyGrp               |= ptcb->OSTCBBitY;         /* Make task ready to run                   */
        OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;
        OSTaskCtr++;                                       /* Increment the #tasks counter             */
        OS_EXIT_CRITICAL();
        return (OS_NO_ERR);
    }
    OS_EXIT_CRITICAL();
    return (OS_NO_MORE_TCB);
}
首先调用OS_ENTER_CRITICAL进入临界段,首先从OSTCBFreeList中拿出一个TCB,如果OSTCBFreeList为空,则返回OS_NO_MORE_TCB错误。
然后调用OS_EXIT_CRITICAL离开临界段,接着对该TCB进行初始化:
 将OSTCBStkPtr初始化为该Task当前堆栈指针;
 OSTCBPrio设置为该Task的prio;
 OSTCBStat设置为OS_STAT_RDY,表示就绪状态;
 OSTCBDly设置为0,当该Task调用OSTimeDly时会初始化这个变量为Delay的时钟数,然后Task转入OS_STAT_状态。这个变量在OSTimeTick中检查,如果大于0表示还需要进行Delay,则进行减1;如果等于零表示无须进行Delay,可以马上运行,转入OS_STAT_RDY状态。
 OSTCBBitY和OSTCBBitX的作用我们在等会专门来讨论。
紧接着就要将该TCB插入OSTCBList列表中,先调用OS_ENTER_CRITICAL进入临界段,将该TCB插入到OSTCBList成为第一个节点,然后调整OSRdyGrp和OSRdyTbl,(这两个变量一会和OSTCBBitX/OSTCBBitY一起讨论),最后将OSTaskCtr计数器加一,调用OS_EXIT_CRITICAL退出临界段。
OSMapTbl和OSUnMapTbl
刚才我们看到TCB数据结构中的OSTCBBitX/OSTCBBitY以及OSRdyGrp/OSRdyTbl的使用,这里专门来讨论讨论这几个变量的用法。
uC/OS-II将64个优先级的进程分为8组,每组8个。刚好可以使用8个INT8U的数据进行表示,于是这就是OSRdyGrp和OSRdyTbl的由来,OSRdyGrp表示组别,从0到7,从前面我们可以看到OSRdyGrp和OSRdyTbl是这么被赋值的:

<span style="white-space:pre">	</span>OSRdyGrp               |= ptcb->OSTCBBitY;
        OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;
 也就是OSTCBBitY保存的是组别,OSTCBBitX保存的是组内的偏移。而这两个变量是这么被初始化的:

<span style="white-space:pre">	</span>ptcb->OSTCBY         = (INT8U)(prio >> 3);
        ptcb->OSTCBBitY      = OSMapTbl[ptcb->OSTCBY];
        ptcb->OSTCBX         = (INT8U)(prio & 0x07);
        ptcb->OSTCBBitX      = OSMapTbl[ptcb->OSTCBX];
由于prio不会大于64,prio为6位值,因此OSTCBY为prio高3位,不会大于8,OSTCBX为prio低3位。
 这里就涉及到OSMapTbl数组和OSUnMapTbl数组的用法了。我们先看看OSMapTbl和OSUnMapTbl的定义:
INT8U  const  OSMapTbl[8]   = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};
 
 INT8U  const  OSUnMapTbl[256] = {
     0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x00 to 0x0F                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x10 to 0x1F                             */
     5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x20 to 0x2F                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x30 to 0x3F                             */
     6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x40 to 0x4F                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x50 to 0x5F                             */
     5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x60 to 0x6F                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x70 to 0x7F                             */
     7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x80 to 0x8F                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0x90 to 0x9F                             */
     5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xA0 to 0xAF                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xB0 to 0xBF                             */
     6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xC0 to 0xCF                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xD0 to 0xDF                             */
     5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,       /* 0xE0 to 0xEF                             */
     4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0        /* 0xF0 to 0xFF                             */
 };
OSMapTbl分别是一个INT8U的八个位,而OSUnMap数组中的值就是从0x00到0xFF的八位中,每一个值所对应的最低位的值。我们在调度的时候只需将OSRdyGrp的值代入OSUnMapTbl数组中,得到OSUnMapTbl[OSRdyGrp]的值就是哪个优先级最高的Group有Ready进程存在,再使用该Group对应OSRdyTbl[]数组中的值一样带入OSUnMapTbl中就可以得出哪个Task是优先级最高的。
 于是我们提前来看看OS_Sched()中获取最高优先级所使用的方法:
    y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];      /* Get pointer to HPT ready to run              */
    OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 3) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);
显然,先得到的y就是存在最高优先级的Group,然后OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]就是Group中的偏移,因此OSPrioHighRdy最高优先级就应该是Group<<3再加上这个偏移。
 
 于是乎,我们就可以对上面那一小段很模糊的代码做一下总结:
 prio只有6位,高3位代表着某一个Group保存在OSTCBY中,OSTCBBitY表示该Group所对应的Bit,将OSRdyGrp的该位置1表示该Group中有进程是Ready的;低3位代表着该Group中的第几个进程,保存在OSTCBX中,OSTCBBitX表示该进程在该Group中所对应的Bit,OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX就等于将该进程所对应的Bit置1了。





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