嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)說明書

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1、 分 類：軟件項(xiàng)目設(shè)計(jì) 使用者：E-fanciers 概要設(shè)計(jì)說明書 Version: 1.0 項(xiàng) 目 承 擔(dān) 隊(duì)伍：煙臺(tái)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 E-fanciers小組 撰 寫 人（簽名）： 孝瑞 完 成 日 期： 2009-7-16 本文檔使用小組： E-fanciers小組 評(píng)審負(fù)責(zé)人（簽名）： 孝瑞 評(píng) 審 日 期： 2009-8-19

2、 目 錄 一、引言 4 1.1編寫目的 4 1.2項(xiàng)目背景 4 1.3定義 4 1.4參考資料： 5 二、任務(wù)概述 5 2.1目標(biāo) 5 2.2運(yùn)行環(huán)境 6 2.3 需求概述..........................................6 2.4條件與限制 6 三、總體設(shè)計(jì) 6 3.1處理流程 6 3.2總體結(jié)構(gòu)和模塊外部設(shè)計(jì) 6 3.3. 功能分配.........................................7 四、接口設(shè)計(jì) 7 4.

3、1外部接口 7 4.2內(nèi)部接口 7 五、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 5.1 ?邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................8 5.2物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......................................8 5.2物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)......................................8 六、運(yùn)行設(shè)計(jì) 8 6.1運(yùn)行模塊的組合.....................................8 6.2運(yùn)行控制.....................................

4、......8 6.3運(yùn)行時(shí)間...........................................8 七、出錯(cuò)處理設(shè)計(jì) 9 八、安全保密設(shè)計(jì) 9 九、維護(hù)設(shè)計(jì) 9 概要設(shè)計(jì)說明書 （Architectural Design Specification） ?一．引言 1．編寫目的 MyRTOS是E-fanciers小組通過開源的微型操作系統(tǒng)ucos-ii開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目標(biāo)板選用周立功ARMLPC2138+

5、JLINK調(diào)試頭,開發(fā)環(huán)境選用RealView 公司的MDK. MyRTOS的設(shè)計(jì)采用ucos-ii的設(shè)計(jì)思想,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和創(chuàng)新.尤其設(shè)計(jì)解決了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題和同級(jí)時(shí)間片輪詢調(diào)度機(jī)制. 2．項(xiàng)目背景 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是09年山東省齊魯軟件大賽新增的題目,本題目迎合了目前非常熱門的嵌入式產(chǎn)業(yè)的人才需求,讓學(xué)生了解嵌入式開發(fā)的方方面面.并逐漸進(jìn)入嵌入式開發(fā)的領(lǐng)域. E-fanciers小組經(jīng)過分析本次大賽的題目，最后決定選擇這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的題目.后來經(jīng)過學(xué)習(xí)和陳老師的指導(dǎo),認(rèn)識(shí)到選擇此題目的必要性：目前市場(chǎng)上有很多嵌入式產(chǎn)品,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也是層出不窮,

6、如何開發(fā)出一個(gè)功能完善、而又高效的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為一大熱點(diǎn)課題. 3．定義 3.1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Embedded Real Time OS，簡(jiǎn)稱 RTOS）是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的核心軟件，是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，就像我們?nèi)粘Ｋ糜?jì)算機(jī)桌面系統(tǒng)中，微軟公司的 Windows 操作系統(tǒng)一樣重要。市場(chǎng)上有很多著名的商業(yè)化嵌入式操作系統(tǒng)，如VxWorks、Pam OS、Windows CE、嵌入式 Linux和μC/OS-II等上千種RTOS。 3.2臨界區(qū) 和其它內(nèi)核一樣，MyRtos為了處理臨界段代碼需要關(guān)中斷，處理完畢后再開中斷。這使得MyRtos能夠避免

7、同時(shí)有其它任務(wù)或中斷服務(wù)進(jìn)入臨界段代碼。關(guān)中斷的時(shí)間是實(shí)時(shí)內(nèi)核開發(fā)商應(yīng)提供的最重要的指標(biāo)之一，因?yàn)檫@個(gè)指標(biāo)影響用戶系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)性。MyRtos努力使關(guān)中斷時(shí)間降至最短，但就使用MyRtos而言，關(guān)中斷的時(shí)間很大程度上取決于微處理器的架構(gòu)以及編譯器所生成的代碼質(zhì)量。 3.3任務(wù) 一個(gè)任務(wù)通常是一個(gè)無限的循環(huán)。一個(gè)任務(wù)看起來像其它C的函數(shù)一樣，有函數(shù)返回類型，有形式參數(shù)變量，返回任務(wù)編號(hào). 3.4任務(wù)調(diào)度 確定哪個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，下面該哪個(gè)任務(wù)運(yùn)行了的工作是由調(diào)度器（Scheduer）完成的。 3.5空閑任務(wù) 系統(tǒng)的空閑任務(wù)OS_TaskIdle()，MyRtos總是建立一個(gè)

8、空閑任務(wù)，這個(gè)任務(wù)在沒有其它任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)投入運(yùn)行。這個(gè)空閑任務(wù)永遠(yuǎn)設(shè)為最低優(yōu)先級(jí)，即OS_LOWEST_PRI0?？臻e任務(wù)OS_TaskIdle ()什么也不做，只是在不停地給一個(gè)32位的名叫OSIdeCtr的計(jì)數(shù)器加1，注意空閑任務(wù)不可能被應(yīng)用軟件刪除。屬于系統(tǒng)服務(wù). 3.6統(tǒng)計(jì)任務(wù) 統(tǒng)計(jì)任務(wù)用來根據(jù)計(jì)數(shù)器的值計(jì)算cpu利用率，屬于系統(tǒng)服務(wù). 3.7任務(wù)管理 對(duì)任務(wù)進(jìn)行的操作,包括任務(wù)創(chuàng)建、刪除、阻塞睡眠、掛起、恢復(fù)等操作。屬于內(nèi)核部分。 3.8任務(wù)堆棧 每個(gè)任務(wù)都有自己的堆?？臻g。堆棧必須聲明為OS_STK類型，并且由連續(xù)的內(nèi)存空間組成。用戶可以靜態(tài)分配堆?？臻g(在編譯

9、的時(shí)候分配)也可以動(dòng)態(tài)地分配堆?？臻g(在運(yùn)行的時(shí)候分配)。 3.9優(yōu)先級(jí) 在用戶建立任務(wù)的時(shí)候會(huì)分配給任務(wù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)決定了任務(wù)的運(yùn)行次序和調(diào)度次序。 3.10互斥信號(hào)量 使用互斥信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間通信，避免了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的發(fā)生?；コ庑盘?hào)量的操作包括：創(chuàng)建互斥信號(hào)量、等待信號(hào)量、發(fā)送信號(hào)量. 3.11 Shell Shell是用來進(jìn)行人機(jī)交互的界面。供操作系統(tǒng)的用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作.用戶可以通過Shell查看任務(wù)運(yùn)行情況、可以掛起、恢復(fù)任務(wù)，查看信號(hào)量的使用情況等操作. 4．參考資料（列出這些資料的作者、標(biāo)題、編號(hào)、發(fā)表日期、出版單位或資料來源，可包括： 編號(hào)

10、 名稱 作者/來源 （1） 項(xiàng)目開發(fā)計(jì)劃； E-fanciers （2） 需求規(guī)格說明書； E-fanciers （3） 測(cè)試計(jì)劃（初稿）； E-fanciers （4） 用戶操作手冊(cè)（初稿）； E-fanciers （5） 《ucos-ii中文版》 （6） 《自己動(dòng)手做操作系統(tǒng)》 二．任務(wù)概述 1．目標(biāo): 實(shí)現(xiàn)大賽要求的基本功能，并著手實(shí)現(xiàn)一些擴(kuò)展功能 2．運(yùn)行環(huán)境 實(shí)驗(yàn)板：lpc2138 調(diào)試頭:JLINK 開發(fā)環(huán)境:RealView

11、MDk3.5 3．需求概述 本賽題要求完成一個(gè)小型微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 需提交實(shí)際可運(yùn)行代碼，并在參考硬件平臺(tái)上演示功能。軟件實(shí)現(xiàn)過程應(yīng)遵循敏捷性方法的指導(dǎo)，注意代碼和文檔的質(zhì)量和版本控制，編寫測(cè)試用例驗(yàn)證軟件功能和重構(gòu)代碼。 4．條件與限制 1. 參考硬件平臺(tái)為：周立功EasyArm2138。實(shí)際上，也可用其他LPC系列CPU和實(shí)驗(yàn)板，只要CPU有足夠的RAM、Flash存儲(chǔ)器和一個(gè)串口擴(kuò)展就可以了。但與LPC2138區(qū)別越小越好，最終的驗(yàn)證都統(tǒng)一在LPC2138上進(jìn)行。 2. 硬件抽象層的接口遵循uc/OS的接口規(guī)范。這樣現(xiàn)存的大量的uC/OS硬件抽象層可為新

12、操作系統(tǒng)提供服務(wù)，減少移植工作量。硬件抽象層可以直接借用uC/OS的代碼，但最好自己實(shí)現(xiàn)，只是接口兼容。 3. 操作系統(tǒng)的調(diào)用采用函數(shù)調(diào)用方式，不用中斷陷入方式； 4. 將各任務(wù)棧獨(dú)立，作為任務(wù)的私有存儲(chǔ)區(qū)； 5. 同時(shí)支持任務(wù)數(shù)不小于255個(gè)?？臻e任務(wù)占用編號(hào)0。 6. 同級(jí)任務(wù)的輪詢時(shí)間片大小可以調(diào)節(jié)，單位為10毫秒(稱為tick)。 7. 串口接口參數(shù)：波特率9600，8位數(shù)據(jù)，1位停止，無硬件流控制。 8. 任務(wù)優(yōu)先級(jí)不小于255級(jí)，最高優(yōu)先級(jí)為0，最低優(yōu)先級(jí)為255?？臻e任務(wù)優(yōu)先級(jí)為255。 9. 操作系統(tǒng)的應(yīng)用接口的應(yīng)遵循題目的規(guī)范，見后面的描述。 10. 對(duì)于代碼

13、移植性驗(yàn)證，參賽者可自行選擇硬件平臺(tái)。該硬件平臺(tái)與LPC2138或ARM之間的區(qū)別越大越好。 三．總體設(shè)計(jì) ?1．處理流程 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng), 硬件抽象層的接口遵循uc/OS的接口規(guī)范。操作系統(tǒng)的調(diào)用采用函數(shù)調(diào)用方式，不用中斷陷入方式，同時(shí)支持任務(wù)數(shù)不小于255個(gè)?？臻e任務(wù)占用編號(hào)0。同級(jí)任務(wù)的調(diào)度采用時(shí)間片輪詢的方式，不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)采用按優(yōu)先計(jì)調(diào)度的方式，及時(shí)對(duì)請(qǐng)求的任務(wù)進(jìn)行處理。 ?2．總體結(jié)構(gòu)和模塊外部設(shè)計(jì) 1.任務(wù)管理模塊 對(duì)任務(wù)進(jìn)行的操作,包括任務(wù)創(chuàng)建、刪除、阻塞睡眠、掛起、恢復(fù)等操作。屬于內(nèi)核部分。 2.任務(wù)堆棧模塊 每個(gè)任務(wù)都

14、有自己的堆?？臻g。堆棧必須聲明為OS_STK類型，并且由連續(xù)的內(nèi)存空間組成。用戶可以靜態(tài)分配堆?？臻g(在編譯的時(shí)候分配)也可以動(dòng)態(tài)地分配堆?？臻g(在運(yùn)行的時(shí)候分配)。 3.優(yōu)先級(jí)模塊 在用戶建立任務(wù)的時(shí)候會(huì)分配給任務(wù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)決定了任務(wù)的運(yùn)行次序和調(diào)度次序。 4.互斥信號(hào)量模塊 使用互斥信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間通信，避免了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的發(fā)生?；コ庑盘?hào)量的操作包括：創(chuàng)建互斥信號(hào)量、等待信號(hào)量、發(fā)送信號(hào)量. 5. Shell Shell是用來進(jìn)行人機(jī)交互的界面。供操作系統(tǒng)的用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作.用戶可以通過Shell查看任務(wù)運(yùn)行情況、可以掛起、恢復(fù)任務(wù)，查看信號(hào)量的使用情況等操作.

15、 ?3．功能分配（表明各項(xiàng)功能與程序結(jié)構(gòu)的關(guān)系。） 各個(gè)模塊既是相互獨(dú)立的又是互相關(guān)聯(lián)的，各個(gè)模塊的互相調(diào)用配合共同使得系統(tǒng)得以穩(wěn)定的工作。 四．接口設(shè)計(jì) 1．外部接口 遵循uc/OS的底層接口規(guī)范，參考代碼文件OS_CPU.H, OS_CPU_A.C, OS_CPU_A.S 2．內(nèi)部接口 內(nèi)部各模塊間設(shè)計(jì)容易訪問的接口。 下面為os.h頭文件內(nèi)容, 該文件為對(duì)外應(yīng)用接口說明文件。若需使用操作系統(tǒng)服務(wù)，需引用該文件。列出為基本部分，參賽者必須遵循，根據(jù)需要可擴(kuò)展。 /*初始化操作系統(tǒng)，建立多任務(wù)環(huán)境. 該函數(shù)調(diào)用后，其他系統(tǒng)調(diào)用則可用*/ /

16、*返回: 0: 成功, -1: 失敗. 后面返回?zé)o說明則同*/ int taskInit(void); /*創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)*/ /*返回: 返回任務(wù)編號(hào)tid, >0: 成功, 其他: 失敗.*/ /*name: 任務(wù)名稱, entryPtr : 任務(wù)函數(shù)入口, stack_size: 任務(wù)棧大小, priority: 任務(wù)優(yōu)先級(jí)*/ int taskCreate(char *name, void *entryPtr, int stack_size, int priority); /*啟動(dòng)一個(gè)任務(wù), 讓taskCreat創(chuàng)建的任務(wù)參加調(diào)度*/ /*tid: 任務(wù)編號(hào), 由tas

17、kCreate返回*/ int taskStart(unsigned char tid); /*獲取和設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí), 用于動(dòng)態(tài)調(diào)整*/ int taskPriorityGet(unsigned char tid); int taskPrioritySet(unsigned char tid, int newPriority); /*將任務(wù)掛起, 該任務(wù)退出調(diào)度*/ int taskSuspend(unsigned char tid); /*將任務(wù)刪除 該任務(wù)退出調(diào)度且回收任務(wù)分配的資源*/ int taskDelete(unsigned char tid);

18、 /*互斥信號(hào)量創(chuàng)建, 返回信號(hào)量標(biāo)識(shí)sid, <0: 失敗*/ int semCreate(void); /*互斥信號(hào)量獲取和釋放*/ int semTake(int sid); int semGive(int sid); /*任務(wù)睡眠(非忙等), 由任務(wù)自己調(diào)用, 主動(dòng)阻塞一段時(shí)間. 時(shí)間單位為tick, 即10毫秒*/ int taskSleep(int ticks); 五．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1．?邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.1任務(wù)狀態(tài) 任務(wù)共有五種狀態(tài),在任一給定的時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)一定是在這五種狀態(tài)之一. 1.2任務(wù)控制塊 一旦任務(wù)建立了，任務(wù)控制塊將被賦值。任務(wù)控

19、制塊是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時(shí)，系統(tǒng)用它來保存該任務(wù)的狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)重新得到CPU使用權(quán)時(shí)，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從當(dāng)時(shí)被中斷的那一點(diǎn)絲毫不差地繼續(xù)執(zhí)行?？刂茐K全部駐留在RAM中。讀者將會(huì)注意到筆者在組織這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮到了各成員的邏輯分組。任務(wù)建立的時(shí)候，控制塊就被初始化了 2．?物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件抽象層的建立,遵循ucos-ii的規(guī)范. 3．?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序的關(guān)系 就緒隊(duì)列使用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),查找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)遍歷鏈表查詢. 六．運(yùn)行設(shè)計(jì) 1．運(yùn)行模塊的組合 各模塊互相配合共同完成對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度。 2．運(yùn)行控制 通過Shel

20、l來控制任務(wù)的運(yùn)行,可以對(duì)任務(wù)進(jìn)行掛起、恢復(fù)、運(yùn)行、刪除等操作。 3．運(yùn)行時(shí)間 通過以時(shí)鐘心跳tick為單位對(duì)任務(wù)狀態(tài)計(jì)時(shí)，任務(wù)調(diào)度有同級(jí)時(shí)間片輪詢和不同優(yōu)先級(jí)按優(yōu)先級(jí)調(diào)度，完成對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度。 七．出錯(cuò)處理設(shè)計(jì) 1．出錯(cuò)輸出信息 宏定義相應(yīng)的錯(cuò)誤編碼,程序出錯(cuò)時(shí)輸出錯(cuò)誤信息。 2．出錯(cuò)處理對(duì)策 提示用戶系統(tǒng)出錯(cuò),等待用戶處理. 八．安全保密設(shè)計(jì) 設(shè)置登陸界面，以此來限制用戶，保證操作該系統(tǒng)的都是合法用戶，保護(hù)系統(tǒng)安全。

21、 九．維護(hù)設(shè)計(jì) 可移植性強(qiáng)（Portable），MyRtos絕大部分使用ANSI C編寫，而而與微處理器硬件相關(guān)的那部分利用了μC/OS-II的函數(shù)層，所以MyRtos和μC/OS-II一樣有很強(qiáng)的可移植性的 可固化，可裁減,可確定性。 9