代码收藏家技术教程 2024-02-12

单片机应用中的UCOS-II操作系统

引言

在快速发展的嵌入式系统领域，实时操作系统（RTOS）的作用日益凸显，成为推动高效、可靠系统开发的关键组成部分。作为RTOS的杰出代表之一，μC/OS-II因其强大的功能和灵活的配置，已成为许多嵌入式项目的首选。不仅因为它能够提供丰富的多任务处理能力，还因为它在资源管理、任务调度和时间管理等方面的卓越性能。

μC/OS-II是一款免费的、可裁剪的、抢占式的实时操作系统内核。它设计用于多任务环境，特别适用于那些对实时响应有严格要求的嵌入式应用。与传统的嵌入式编程相比，μC/OS-II不仅能够提升系统的稳定性和响应速度，还能显著提高开发效率和系统可维护性

在本文中，我们将深入探讨μC/OS-II在单片机开发中的应用。从基本的配置和初始化，到高级功能如任务同步、内存管理等，本文旨在为想要在其项目中实现或优化RTOS使用的开发者提供一个全面的指导。我们将通过实例来展示μC/OS-II如何有效地解决实际问题，使得复杂的系统设计变得简单可行。无论您是RTOS的初学者，还是希望在现有项目中整合μC/OS-II，本文都将为您提供宝贵的视角和建议。

一、UCOS-II 是什么？

在探讨μC/OS-II在单片机开发中的应用之前，首先了解这个实时操作系统的核心特性和基本架构是非常重要的。

1.1 μC/OS-II的核心特性

可抢占的多任务处理：μC/OS-II支持抢占式多任务处理，允许创建多个任务并根据任务的优先级进行有效管理。这种抢占式调度使得高优先级任务能够及时响应，确保关键任务的执行不会被低优先级任务阻塞。

固定优先级调度：每个任务在创建时被赋予一个固定的优先级，RTOS根据这些优先级决定任务执行的顺序。这种策略简化了调度机制，同时提供了预测性的任务响应。

时间管理能力：μC/OS-II提供了精确的时间管理功能，包括延时和定时器服务，使得任务可以根据时间要求进行调度。

丰富的同步机制：提供了信号量、互斥量和消息队列等同步工具，帮助解决多任务环境中的资源共享和通信问题。

可裁剪性和模块化设计：μC/OS-II的模块化设计允许开发者根据项目需求选择所需的组件，提高了代码的可维护性和系统的灵活性

1.2 μC/OS-II的架构

μC/OS-II的架构是围绕核心调度器构建的，核心调度器负责管理任务的创建、删除、挂起和唤醒。

除了核心调度器，μC/OS-II还包括了丰富的服务和库函数，用于支持任务同步、时间管理和资源管理等。

μC/OS-II的核心是高度可配置的，适用于各种规模和复杂程度的嵌入式系统。

1.3 为何选择μC/OS-II

对于那些需要精确时间控制和高可靠性的嵌入式应用，如工业控制、医疗设备和复杂的消费电子产品，μC/OS-II提供了一个坚实的基础。

μC/OS-II的可扩展性和灵活性使其成为一个理想的选择，特别是在资源受限的单片机系统中。

二、UC/OS-II 在单片机开发中的基本设置

要在单片机项目中有效地运用μC/OS-II，首先需要掌握其基础配置和初始化步骤。这些步骤不仅涉及操作系统本身的设置，还包括如何在特定的硬件环境中部署和运行μC/OS-II。

2.1 初始化μC/OS-II：

系统启动时的初始化：在单片机的启动代码中，通常首先进行的是硬件相关的初始化，紧接着是μC/OS-II的初始化。这包括调用 OSInit() 函数来初始化μC/OS-II的内部结构和变量。

	OS_CPU_SysTickInit();     // 系统滴答时钟初始化
	OSInit();

创建初始任务：系统初始化后，通常需要创建一个或多个初始任务。这可以通过 OSTaskCreate() 函数完成。每个任务都有自己的任务函数、堆栈空间和优先级。

// 初始化任务 ： 用于引导
void Task_start(void *p_arg){
	(void)p_arg;
	// 任务创建前需要关闭系统总中断，防止创建过程被打断
	OS_CPU_SR cpu_sr = 0;
	OS_ENTER_CRITICAL();
	OSTaskCreate(RB_Task_led1,NULL,&task_led1_stk[TASK_LED1_STK_SIZE - 1],TASK_LED1_PRIO);
	OSTaskCreate(RB_Task_led2,NULL,&task_led2_stk[TASK_LED2_STK_SIZE - 1],TASK_LED2_PRIO);
	OSTaskCreate(RB_Task_led3,NULL,&task_led3_stk[TASK_LED3_STK_SIZE - 1],TASK_LED3_PRIO);
	// 起始任务删除
	OSTaskDel(STARTUP_TASK_PRIO);  
	// 重启中断
	OS_EXIT_CRITICAL();
}

2.2 任务管理

创建任务：在μC/OS-II中，任务是基本的执行单元。创建任务涉及为任务指定一个唯一的优先级、分配堆栈空间和定义任务函数。

任务优先级：μC/OS-II使用固定优先级的调度策略，这意味着每个任务在创建时被分配一个优先级，RTOS会根据这些优先级来调度任务。

// 起始任务 ： 用于引导
void Task_start(void *p_arg){
	(void)p_arg;
	// 任务创建前需要关闭系统总中断，防止创建过程被打断
	OS_CPU_SR cpu_sr = 0;
	OS_ENTER_CRITICAL();
	OSTaskCreate(RB_Task_led1,NULL,&task_led1_stk[TASK_LED1_STK_SIZE - 1],TASK_LED1_PRIO);
	OSTaskCreate(RB_Task_led2,NULL,&task_led2_stk[TASK_LED2_STK_SIZE - 1],TASK_LED2_PRIO);
	OSTaskCreate(RB_Task_led3,NULL,&task_led3_stk[TASK_LED3_STK_SIZE - 1],TASK_LED3_PRIO);
	// 起始任务删除
	OSTaskDel(STARTUP_TASK_PRIO);  
	// 重启中断
	OS_EXIT_CRITICAL();
}

2.3 设置堆栈和优先级

堆栈分配：为每个任务分配足够的堆栈空间是至关重要的。堆栈空间不足可能导致堆栈溢出，而过大则会浪费资源。

优先级选择：合理地分配任务优先级可以确保关键任务及时响应，并有效地使用处理器资源。

// 给任务分配堆栈大小（每个任务都有自己的任务堆栈 ）
#define STARTUP_TASK_STK_SIZE    128
#define TASK_LED1_STK_SIZE       128
#define TASK_LED2_STK_SIZE       128
#define TASK_LED3_STK_SIZE       128

// 设置好任务的优先级 （优先级高低和数字成反比，任务优先级必须唯一）
#define STARTUP_TASK_PRIO	  7
#define TASK_LED1_PRIO		  8
#define TASK_LED2_PRIO	      9
#define TASK_LED3_PRIO	      10

 // 创建任务的堆栈空间
static OS_STK startup_task_stk[STARTUP_TASK_STK_SIZE];
static OS_STK task_led1_stk[TASK_LED1_STK_SIZE]; 
static OS_STK task_led2_stk[TASK_LED2_STK_SIZE];
static OS_STK task_led3_stk[TASK_LED3_STK_SIZE];

2.4 时间管理

系统时钟设置：μC/OS-II依赖于系统时钟来进行任务调度和时间管理。通常需要在系统启动时设置和启动系统时钟。

延时和定时器：μC/OS-II提供了任务延时（如 OSTimeDly()）和定时器服务，以支持基于时间的任务调度。

通过以上步骤，我们可以将μC/OS-II嵌入到单片机项目中，创建一个能够高效运行多个任务的系统。

2.5 操作系统任务调度总结

任务的基本概念就是把一个大型任务分解城多个带有运行环境的小任务，然后在计算机中通过运行这些小任务，最终达到完成大任务的目的。在UCOS-II中，与上述那些小任务对应的程序实体就叫做“任务”（实际上是一个线程），UCOS-II就是一个能对这些小任务的运行管理和调度的多任务操作系统。

从应用程序设计的角度看，UCOS-II的任务就是一个用户编写的C函数和与之相关联的一些数据结构而构成的一个实体。

三、深入uc/os – II 高级特性

在基本的设置和任务管理之后，μC/OS-II提供了一系列高级特性，这些特性使得开发复杂的嵌入式应用成为可能。掌握这些高级特性对于充分利用μC/OS-II的潜力至关重要。

3.1 任务同步机制：

信号量（Semaphores）：信号量是一种常用的任务同步机制。在μC/OS-II中，信号量可以用于控制对共享资源的访问，或者在任务之间同步操作。信号量通过 OSSemCreate() 创建，并通过 OSSemPend() 和 OSSemPost() 来等待和发送信号。

互斥量（Mutexes）：互斥量是特殊类型的信号量，专门用于确保对共享资源的互斥访问。与普通信号量不同的是，互斥量提供了优先级继承的特性，防止优先级反转问题。

3.2 消息队列：

在多任务应用中，任务间的通信是一个常见需求。μC/OS-II提供了消息队列机制，允许任务以消息的形式交换数据。这些消息队列通过 OSQCreate() 创建，并通过 OSQPend() 和 OSQPost() 来接收和发送消息。

3.3 内存管理：

μC/OS-II内置了一个简单的内存管理模块，允许动态分配和释放内存。这对于管理不同大小或生命周期的数据结构特别有用。

内存管理功能通过创建内存分区 OSMemCreate() 和分配/释放内存块 OSMemGet() 和 OSMemPut() 来实现。

3.4 定时器管理：

μC/OS-II提供了软件定时器的功能，允许在特定时间执行任务。这对于需要周期性或一次性延时执行的操作非常有用。

软件定时器通过 OSTmrCreate() 创建，并可以设定为一次性或周期性触发。

通过这些高级特性，μC/OS-II为开发者提供了强大的工具来处理复杂的任务调度、同步和通信问题。在下一部分中，我们将通过一个实际的项目案例来展示如何将μC/OS-II的这些特性应用到具体的单片机开发中。

四、UC/OS-II 在实际项目中的应用案例

理论知识的学习虽然重要，但在实际项目中应用μC/OS-II才能真正体会其强大的功能和灵活性。以下是一个实际应用案例，展示了如何在一个具体的单片机项目中使用μC/OS-II。

4.1 案例简介：

假设我们正在开发一个智能家居控制系统，该系统需要同时处理多个任务，如温度监控、照明控制和安全检测。在这个系统中，μC/OS-II的多任务处理能力可以帮助我们高效地管理这些不同的功能。

4.2 任务创建和管理：

温度监控任务：负责定期读取温度传感器的数据，并根据设定的阈值调整空调系统。

照明控制任务：根据环境光线强度和用户设定，自动调整室内照明。

安全检测任务：监控安全传感器，如烟雾报警器和门窗传感器，以及时响应潜在的安全威胁。

4.3 任务同步和通信：

使用信号量和消息队列来同步任务和传递数据。例如，温度监控任务可以通过消息队列向照明控制任务发送温度数据。

4.4 实际代码实现：

为每个任务定义一个任务函数，并在系统启动时创建这些任务。
任务函数中包含任务的具体逻辑，如读取传感器数据、执行控制指令等。
使用μC/OS-II的API来实现任务之间的同步和通信。

4.5性能优化和调试：

在开发过程中，使用μC/OS-II提供的调试工具来监控任务状态和系统性能。
根据系统运行情况调整任务优先级和堆栈大小，以优化性能。
通过这个案例，我们可以看到，μC/OS-II使得管理多任务变得简单而直观。它不仅提高了系统的可靠性和效率，还简化了复杂功能的实现。在下一部分，我们将讨论如何调试μC/OS-II应用，并提供一些性能优化的技巧。

五、调试和性能调优

在μC/OS-II应用的开发过程中，调试和性能优化是不可或缺的步骤。合理的调试策略和性能优化技巧可以显著提高应用的稳定性和效率。

5.1 调试μC/OS-II应用

**使用μC/OS-II的内置调试功能：**μC/OS-II提供了一系列的调试工具，如任务状态查看、堆栈使用监控等，这些工具可以帮助识别和解决问题。

堆栈溢出检测：为了防止堆栈溢出，可以使用μC/OS-II的堆栈检查功能。此外，合理地估算和分配每个任务的堆栈大小也是关键。

任务监控：通过监控任务的运行状态和性能指标，可以及时发现潜在的问题，比如任务死锁或优先级不当设置。

5.2 性能优化策略：

优化任务设计：合理分配任务优先级，避免不必要的任务切换，可以提高系统的整体性能。
**资源管理优化：**确保有效地使用信号量和消息队列等同步机制，避免资源竞争和死锁。
内存管理：合理地管理内存使用，避免内存泄漏和碎片化。

5.3 最佳实践：

定期代码审查：定期审查和重构代码可以帮助发现和修复潜在问题，提高代码质量。
系统测试：进行全面的系统测试，包括压力测试和边界条件测试，以确保系统的稳定性和可靠性。
文档和注释：保持代码的良好文档和注释，有助于调试和维护。

代码汇总

下面就使用ucosII 移植到系统中，我们让3个LED 同时闪烁

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
 #include "stm32f10x.h"
//#include <stdio.h>
//#include "gpio.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
// #include "stm32f10x.h"
#include "includes.h"


/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
// 这里任务堆栈的大小先设定大一点，后续根据经验设置成够用就好
#define STARTUP_TASK_STK_SIZE    128
#define TASK_LED1_STK_SIZE       128
#define TASK_LED2_STK_SIZE       128
#define TASK_LED3_STK_SIZE       128

// 设置好任务的优先级 （优先级高低和数字成反比）
#define STARTUP_TASK_PRIO	  7
#define TASK_LED1_PRIO		  8
#define TASK_LED2_PRIO	      9
#define TASK_LED3_PRIO	      10

 // 创建任务的堆栈空间
static OS_STK startup_task_stk[STARTUP_TASK_STK_SIZE];
static OS_STK task_led1_stk[TASK_LED1_STK_SIZE]; 
static OS_STK task_led2_stk[TASK_LED2_STK_SIZE];
static OS_STK task_led3_stk[TASK_LED3_STK_SIZE];

void Task_start(void *p_arg);


/**
  * @brief  Main program.
  * @param  None
  * @retval None
  */
	
int main(void)
{
    // GPIO 初始化
	IOdevInit();
    // 初始化串口
	MX_UART_Init();
	// ucosII相关函数
	OS_CPU_SysTickInit();     // 系统滴答时钟初始化
	OSInit();
	OSTaskCreate(Task_start,NULL,&startup_task_stk[STARTUP_TASK_STK_SIZE - 1 ],STARTUP_TASK_PRIO);
	OSStart();
}


void RB_Task_led1(void *p_arg);
void RB_Task_led2(void *p_arg);
void RB_Task_led3(void *p_arg);

// 起始任务
void Task_start(void *p_arg){
	(void)p_arg;
	// 任务创建前需要关闭系统总中断，防止创建过程被打断
	OS_CPU_SR cpu_sr = 0;
	OS_ENTER_CRITICAL();
	OSTaskCreate(RB_Task_led1,NULL,&task_led1_stk[TASK_LED1_STK_SIZE - 1],TASK_LED1_PRIO);
	OSTaskCreate(RB_Task_led2,NULL,&task_led2_stk[TASK_LED2_STK_SIZE - 1],TASK_LED2_PRIO);
	OSTaskCreate(RB_Task_led3,NULL,&task_led3_stk[TASK_LED3_STK_SIZE - 1],TASK_LED3_PRIO);
	// 起始任务删除
	OSTaskDel(STARTUP_TASK_PRIO);  
	// 重启中断
	OS_EXIT_CRITICAL();
}


void RB_Task_led1(void *p_arg){
	(void)p_arg;
	while(1){
		GPIO_SetBits(LED_PORT,MCU_LED1_PIN);
		printf("1\r\n");
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
		GPIO_ResetBits(LED_PORT,MCU_LED1_PIN);
		printf("2\r\n");
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
	}
}


void RB_Task_led2(void *p_arg){
	(void)p_arg;
	while(1){
		GPIO_SetBits(LED_PORT,MCU_LED2_PIN);
		printf("3\r\n");
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
		GPIO_ResetBits(LED_PORT,MCU_LED2_PIN);
		printf("4\r\n");
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
	}
}


void RB_Task_led3(void *p_arg){
	(void)p_arg;
	while(1){
		GPIO_SetBits(LED_PORT,MCU_LED3_PIN);
		printf("5\r\n");
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
		GPIO_ResetBits(LED_PORT,MCU_LED3_PIN);
		printf("6\r\n");
		OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);
	}
}

串口输出记录：

任务1、2、3 连续占有CPU使用权

根据任务优先级轮流执行，当执行到OSTimeDlyHMSM时候，就让出cpu使用权