西北工业大学民航学院王铁勇吴盘龙刘振宝

摘要:近年来，在单片机系统中嵌入操作系统已经成为人们越来越关注的话题。通过对一个开源的嵌入式实时操作系统μc/os-ii的分析，以51系列单片机为例，阐述了在单片机中使用该嵌入式操作系统的优缺点，以及在应用中应注意的一些问题。

导言

早在20世纪60年代，就有人开始研究和开发嵌入式操作系统。但是直到最近，它在中国被越来越多的提及，并且它在通信、电子、自动化和其他需要实时处理的领域中的重要性越来越受到关注。然而，人们经常谈论一些著名的业务核心，如vxworks、psos等。这些商用内核性能优越，但价格昂贵，主要用于16位和32位处理器。对于大多数国内用户使用的51系列8位单片机，您可以选择免费的μc/os-ii。

μc/OS-ii的特性

1.μ c/OS-ii是labrosse先生编写的一个开放内核，其主要特点是开放源代码。这对用户有好处也有坏处。一方面，它是免费的，另一方面，用户可以根据自己的需要修改它。缺点是缺乏必要的支持和强大的软件包，所以用户通常需要编写自己的驱动程序，特别是如果使用不常用的单片机，他们还必须编写自己的移植程序。

2.μ C/OS-II是一个抢占式内核，即准备好的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的cpu使用权。这一特性使其实时性能优于非抢占式内核。通常，我们在中断服务程序中将高优先级任务置于就绪状态(例如，信令)，这样在退出中断服务程序后，任务将被切换，高优先级任务将被执行。以51单片机为例，通过比较可以发现这样做的好处。如果需要以中断方式采集和处理一批数据，传统的编程方法无法在中断服务程序中进行复杂的数据处理，因为这会使中断时间过长。因此，通常的方法是设置一个标志位，然后退出中断。由于主程序是循环执行的，所以它总是有机会检测到这个标志，并将其传送给数据处理程序。然而，由于无法确定中断发生时程序在何处执行，也无法判断数据处理程序执行需要多长时间，也无法确定中断响应时间，因此系统的实时性不强。如果使用μc/os-ii，只要数据处理程序的优先级设置得更高，并且在中断服务程序中进入就绪状态，数据处理程序将在中断后立即执行。这可以在一定程度上限制中断响应时间。这对于一些对中断响应时间有严格要求的系统来说是必要的。但是，应该指出，如果数据处理程序简单，这可能不合适。因为μc/os-ii要求在中断服务程序的末尾使用OS int函数来判断是否切换任务，所以需要一定的时间。

3.μ C/OS-II与众所周知的分时操作系统如linux不同，它不支持时间片轮换方法。μc/os-ii是一个基于优先级的实时操作系统，每个任务的优先级必须不同。通过分析其源代码，可以发现μc/os-ii使用任务的优先级作为任务的标识，如果优先级相同，则无法区分任务。进入就绪状态的优先级最高的任务首先获得使用cpu的权利，其他任务只有在放弃使用cpu的权利后才能执行。因此，它只能说是多任务，而不是多过程，至少不是大家熟悉的多过程。显然，如果只考虑实时性，它比时间系统更好，并且它可以确保重要的任务总是优先于cpu。然而，在系统中，重要的任务毕竟是有限的，这使得划分其他任务的优先级成为一个麻烦的问题。此外，用户交替执行一些任务更为有利。例如，当用单片机控制两个小显示屏时，程序员和用户肯定都希望它们同时工作，而不是先显示一个显示屏的信息，再显示另一个显示屏的信息。此时，μc/os-ii更适合支持优先级方法和时间片轮换方法。

4.μ C/OS-II为共享资源提供了一种保护机制。如上所述，μc/os-ii是一个支持多任务的操作系统。一个完整的程序可以分成几个任务，不同的任务执行不同的功能。这样，任务就相当于模块化设计中的一个子模块。向任务添加代码时，只要不是共享资源，就不必担心相互影响。对于共享资源(如串口)，μc/os-ii也提供了一个很好的解决方案。通常，使用信号量的方法。简单地说，首先创建一个信号量并初始化它。当任务需要使用共享资源时，它必须首先申请信号量。一旦获得信号量，信号量将不会被释放，直到资源用完。在这个过程中，即使具有较高优先级的任务进入就绪状态，由于无法获得信号量，资源也无法使用。这个特性的优势是显而易见的。例如，当显示屏显示信息时，会产生外部中断，并且需要在中断服务程序的显示屏上显示其他信息。这样，在退出中断服务程序后，原始信息可能会被破坏。在μc/os-ii中使用信号量方法时，新信息只能在原始信息显示在显示屏上后才能显示，从而避免了这种现象。然而，采用这种方法是以牺牲系统的实时性能为代价的。如果显示原始信息需要很长时间，系统将不得不等待。从结果来看，这等于延长了中断响应时间，这对于未显示的信息是报警信息的情况无疑是致命的。这种情况在μc/os-ii中称为优先级反转，即高优先级任务必须等待低优先级任务完成。在上述情况下，两个任务之间不可避免地会发生优先级反转。因此，在使用μc/os-ii时，我们必须清楚地了解开发的系统，然后才能决定是否对某些共享资源使用信号量。

μc/OS-ii在单片机使用中的一些特点
1。在单片机系统中嵌入μ C/OS-II可以提高系统的可靠性，简化调试程序。过去，在传统的单片机开发中，程序经常会失控或陷入无限循环。看门狗可以用来解决程序失控的问题，但在后一种情况下，特别是当涉及复杂的数学计算时，只设置断点，这需要大量时间来缓慢分析。如果μc/os-ii嵌入系统，事情会简单得多。整个程序可以分成许多任务，每个任务相对独立，然后在每个任务中设置一个超时功能。时间用完后，任务必须移交cpu的使用权。即使一个任务有问题，也不会影响其他任务的运行。这不仅提高了系统的可靠性，而且使程序调试变得容易。

2.在单片机系统中嵌入μc/os-ii会增加系统开销。现在使用的51单片机一般指87c51或89c51，其芯片有一定量的ram和rom。对于一些简单的程序，如果采用传统的编程方法，就不需要扩展内存。如果在其中嵌入μc/os-ii，当只需要任务调度、任务切换、信号量处理、延迟或超时服务时，不需要扩展rom，但有必要扩展ram。由于μc/os-ii是一个可以削减的操作系统，它需要的ram大小取决于操作系统的功能。例如，μc/os-ii允许用户定义最大任务数。因为每个任务都会被创建，所以会生成一个相应的数据结构tcb，这占用了大部分内存空.因此，在定义最大任务数时，我们必须考虑实际情况的需要。如果设置得太大，将不可避免地导致不必要的浪费。嵌入μc/os-ii后，总ram需求可通过以下表达式获得:

总ram需求=应用程序的ram需求+内核数据区的ram需求+(任务堆栈需求+最大中断嵌套堆栈需求)任务数量
幸运的是，μc/os-ii可以为每个任务定义堆栈空的大小，开发人员可以根据任务的实际需求进行堆栈,/但是，在ram容量有限的情况下，我们应该注意大型数组、数据结构和函数的使用。不要忘记，函数的参数也应该被推入堆栈。

3.μ C/OS-II的移植也是一项值得关注的工作。如果没有现成的移植实例，您必须编写自己的移植代码。虽然只需要修改两个文件，但仍然需要熟悉相应的微处理器，最好参考已有的移植实例。此外，即使有移植的例子，最好在编程之前阅读它，因为它涉及堆栈操作。编写中断服务程序时，将寄存器推入堆栈的顺序必须与移植代码中的顺序一致。

4.与其他一些著名的嵌入式操作系统不同，μc/os-ii在单片机系统中的启动过程相对简单。与某些操作系统不同，有必要将内核编译成一个映像文件，并将其写入rom。上电复位后，文件从rom加载到ram中，然后运行应用程序。μc/os-ii的内核与应用程序一起编译成一个文件。用户只需要将这个文件转换成十六进制格式，并将其写入只读存储器。开机后，它将像普通的单片机程序一样运行。

结论
从以上介绍可以看出，μc/os-ii具有免费、易用、可靠性高、实时性好等优点，但也存在移植困难、缺乏必要的技术支持等缺点，尤其是没有像商用嵌入式系统那样得到广泛应用和不断研究更新。然而，开放性允许开发人员自己剪切和添加所需的功能，这在许多应用领域发挥着独特的作用。当然，是否在单片机系统中嵌入μc/os-ii取决于开发的项目。对于一些简单和低成本的项目，没有必要使用嵌入式操作系统。

参考文献
1邵蓓蓓译。μc/os-ii开放式实时嵌入式操作系统。
中国电力出版社
2。μC/OS-iitheretime内核

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