本科-嵌入式ARM-第6章μCOS-II程序设计基础

本科-嵌入式ARM-第6章μCOS-II程序设计基础汇报人：AA2024-01-17目录contentsμCOS-II操作系统概述μCOS-II任务管理μCOS-II时间管理μCOS-II内存管理μCOS-II中断处理机制μCOS-II移植与配置实验：基于μCOS-II的嵌入式程序设计01μCOS-II操作系统概述μCOS-II是一个可移植、可固化、可裁剪、抢占式的实时多任务内核。实时操作系统从8位到64位微处理器，μCOS-II已在众多嵌入式应用中得到验证。广泛应用经过严格测试与验证，μCOS-II提供了出色的稳定性和可靠性。稳定性与可靠性μCOS-II背景与特点实时控制如工业控制、航空航天等领域，μCOS-II能满足对实时性要求高的控制需求。通信协议栈在通信领域，μCOS-II可作为TCP/IP等协议栈的实时操作系统平台。图形用户界面μCOS-II可支持图形用户界面系统，提供流畅的用户体验。μCOS-II在嵌入式系统中的应用通信与同步通过信号量、消息队列、事件等机制实现任务间的通信与同步。内存管理提供动态内存分配与回收机制，优化内存使用。时间管理提供系统时钟、定时器等功能，确保实时性要求。内核负责任务调度、时间管理、内存管理等核心功能。任务管理实现任务的创建、删除、挂起、恢复等操作，支持优先级抢占调度。μCOS-II体系结构及核心组件02μCOS-II任务管理03任务初始化在任务创建后，需要对任务进行初始化，包括设置任务优先级、任务状态等。01任务控制块（TCB）μCOS-II通过任务控制块来管理任务，TCB包含了任务的所有信息，如任务堆栈指针、任务名称、任务优先级等。02任务创建函数OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()用于创建任务，需要指定任务函数、任务名称、任务堆栈大小等参数。任务创建与初始化任务切换μCOS-II通过调度器来实现任务切换，当高优先级任务就绪时，会立即抢占低优先级任务的执行。任务挂起与恢复OSTaskSuspend()用于挂起任务，使其进入睡眠状态；OSTaskResume()用于恢复任务，使其进入就绪状态。任务状态μCOS-II中的任务有五种状态，分别是睡眠状态、就绪状态、运行状态、等待状态和中断服务状态。任务状态及切换优先级设置μCOS-II允许为每个任务设置不同的优先级，优先级越高的任务越优先执行。调度策略μCOS-II采用基于优先级的抢占式调度策略，即当高优先级任务就绪时，会立即抢占低优先级任务的执行。时间片轮转调度μCOS-II还支持时间片轮转调度策略，即当多个相同优先级的任务就绪时，会按照时间片轮转的方式执行这些任务。任务优先级与调度策略任务间通信与同步机制信号量（Semaphore）用于实现任务间的同步和互斥访问共享资源。消息队列（MessageQueue）用于实现任务间的通信，允许一个任务向另一个任务发送消息。事件（Event）用于实现多任务间的同步和通信，允许一个任务等待多个事件的发生。互斥量（Mutex）用于实现互斥访问共享资源，确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。03μCOS-II时间管理μCOS-II采用系统时钟来管理时间，它是操作系统的脉搏，为任务调度和时间相关操作提供基准。定时器是操作系统中实现时间延迟和时间戳功能的基础。μCOS-II提供硬件定时器和软件定时器两种类型，用于满足不同应用场景的需求。系统时钟与定时器定时器系统时钟该函数用于实现任务的时间延迟。调用该函数后，任务将进入等待状态，直到指定的延迟时间到期后才重新进入就绪状态。OSTimeDly()该函数用于实现以小时、分钟、秒和毫秒为单位的时间延迟。它提供了一种更直观的方式来指定延迟时间，方便用户理解和使用。OSTimeDlyHMSM()时间延迟函数时间戳功能μCOS-II提供时间戳功能，可以记录任务开始执行的时间或者事件发生的时间。通过比较时间戳，可以确定任务执行的时间长度或者事件发生的先后顺序。应用场景时间戳在嵌入式系统中有着广泛的应用，如任务执行时间统计、性能分析、事件追踪等。通过使用时间戳功能，开发人员可以更方便地分析和优化系统性能，提高系统的稳定性和可靠性。时间戳功能及应用04μCOS-II内存管理在程序运行时，根据需要动态地分配和释放内存空间。动态内存分配概念通过调用特定的内存管理函数（如malloc和free）进行内存的申请和释放。内存分配方式常见的内存管理算法有首次适应算法、最佳适应算法和最差适应算法等，用于决定如何分配和回收内存块。内存管理算法010203动态内存分配原理将可用内存划分为多个固定大小的分区，每个分区用于满足特定大小的内存请求。分区概念根据应用程序的需求和可用内存的大小，合理划分分区大小。分区大小确定μCOS-II提供了一套完整的分区管理机制，包括分区的创建、删除、初始化和控制等。分区管理μCOS-II内存分区方法内存泄漏检测与防范策略采用合理的内存管理策略，如及时释放不再使用的内存、避免在函数中返回局部变量的地址、减少全局变量的使用等，以降低内存泄漏的风险。防范策略在程序运行过程中，动态分配的内存空间未被正确释放，导致系统可用内存逐渐减少的现象。内存泄漏定义通过特定的工具或技术手段（如内存泄漏检测工具）来发现和定位内存泄漏问题。内存泄漏检测05μCOS-II中断处理机制中断定义01中断是指CPU在执行程序过程中，由于外部或内部事件（如外设请求、定时器溢出等）的发生，而暂停当前任务执行，转去处理该事件，处理完毕后再返回原任务继续执行的过程。中断源02引起中断发生的各种事件或原因，如外部输入信号、定时器溢出、软件请求等。中断向量表03用于存储中断服务程序入口地址的表格，CPU通过查询中断向量表找到对应的中断服务程序并执行。中断基本概念及原理中断响应当外部或内部事件发生时，CPU响应中断请求，保存当前任务上下文（如寄存器值、程序计数器等）。中断处理CPU根据中断向量表找到对应的中断服务程序并执行，处理中断事件。中断返回中断服务程序执行完毕后，CPU恢复被中断任务的上下文并继续执行原任务。μCOS-II中断处理流程中断服务程序编写规范01尽可能缩短中断服务程序执行时间，避免长时间占用CPU资源。02在中断服务程序中避免使用可能引起阻塞的操作，如等待外部设备响应等。03对于需要长时间处理的中断事件，可以在中断服务程序中设置一个标志位，然后在任务级程序中处理该事件。04在编写中断服务程序时，应注意保护共享资源，避免竞态条件的发生。06μCOS-II移植与配置移植μCOS-II到目标硬件平台选择合适的硬件平台根据项目需求和μCOS-II系统要求，选择适合的嵌入式ARM硬件平台。移植μCOS-II内核修改μCOS-II内核源代码，以适应目标硬件平台的处理器架构、中断处理机制、内存管理等方面的特性。准备开发环境安装交叉编译工具链，配置开发环境，以便在主机上编译μCOS-II源代码并生成可在目标硬件平台上运行的二进制代码。移植硬件相关代码根据目标硬件平台的硬件特性，编写或修改与硬件相关的代码，如启动代码、中断服务程序、设备驱动程序等。优化系统性能通过调整任务优先级、时间片长度、中断处理机制等参数，优化μCOS-II在目标硬件平台上的性能表现。裁剪系统功能根据项目需求，裁剪μCOS-II中不必要的功能模块，以减小系统体积和降低资源消耗。修改配置文件根据需要，修改μCOS-II的配置文件，如os_cfg.h，以配置系统参数、任务优先级、时间片轮转等。配置文件修改及优化方法123遇到编译错误时，仔细检查源代码和配置文件，确保语法正确、头文件包含完整、宏定义正确等。编译错误处理在运行时出现错误时，利用调试工具进行单步跟踪、查看寄存器值、打印日志信息等操作，定位问题所在并进行修复。运行错误排查针对性能瓶颈问题，采用性能分析工具进行诊断，找出性能瓶颈所在并进行针对性优化。性能问题优化常见问题排查与解决技巧07实验：基于μCOS-II的嵌入式程序设计010203掌握μCOS-II操作系统的基本原理和核心功能熟悉基于μCOS-II的嵌入式程序设计方法和流程能够独立设计和实现基于μCOS-II的简单嵌入式应用程序实验目的和要求硬件环境嵌入式开发板（如STM32F103C8T6）、JTAG调试器、电源适配器等软件环境KeilMDK或IAREmbeddedWorkbench等嵌入式开发环境、μCOS-II操作系统源代码、串口调试工具等实验环境和工具准备03安装并配置好嵌入式开发环境，导入μCOS-II操作系统源代码011.搭建实验环境02连接好硬件，确保电源供应稳定实验步骤及代码实现1232.创建μCOS-II工程在开发环境中创建一个新的工程，选择合适的芯片型号和配置将μCOS-II源代码添加到工程中，并配置好相关选项实验步骤及代码实现实验步骤及代码实现013.编写应用程序代码02编写主函数，初始化μCOS-II操作系统和硬件资源创建任务函数，实现具体的业务逻辑功能03实验步骤及代码实现使用μCOS-II提供的API函数进行任务管理、时间管理、信号量管理等操作4.编译、下载并运