ucos实时操作系统学习笔记——内核结构和任务创建

对于ucos实时操作系统，邵贝贝的那本书已经写得很详细了，我因为之前不深的研究过ucos，所以在这里做一个笔记，写一些个人对该操作系统的理解，仅仅是个人理解，如果有人看到这边随笔有不对的地方，望给我指正。同时，锻炼一下自己组织语言的能力，有时候知道那么个意思，却总也说不出口。

ucos内种中有几个人变量比较重要，被贯穿在ucos内核的设计中。这几个变量中有在PCB中的局部变量，也有在整个系统内核设计中的全局变量。下面将分别介绍一下这几个变量。

首先，从OS_PCB中的局部变量讲起，如果去掉OS_TASK_CREATE_EXT_EN，OS_EVENT_EN等一些可选项的参数，ucos的OS_TCB结构体中主要的变量主要是这几个（简化OS_PCB结构体如下）：

typedef struct os_pcb{
    OS_STK          *OSTCBStkPtr;           /* Pointer to current top of stack                         */

    struct os_tcb   *OSTCBNext;             /* Pointer to next     TCB in the TCB list                 */
    struct os_tcb   *OSTCBPrev;             /* Pointer to previous TCB in the TCB list                 */

    INT32U           OSTCBDly;              /* Nbr ticks to delay task or, timeout waiting for event   */
    INT8U            OSTCBStat;             /* Task      status                                        */
    INT8U            OSTCBStatPend;         /* Task PEND status                                        */
    INT8U            OSTCBPrio;             /* Task priority (0 == highest)                            */

    INT8U            OSTCBX;                /* Bit position in group  corresponding to task priority   */
    INT8U            OSTCBY;                /* Index into ready table corresponding to task priority   */
    OS_PRIO          OSTCBBitX;             /* Bit mask to access bit position in ready table          */
    OS_PRIO          OSTCBBitY;             /* Bit mask to access bit position in ready group          */
}OS_TCB;

从简化的的OS_PCB结构可看出其结构非常简单，主要包括以上几个部分：栈指针，当前任务所处TCB list的位置，描述任务delay的tick时间，任务状态，任务优先级以及计算当前任务position的四个变量。前面几个变量看一下注释应该可以很容易理解，最后四个变量需要稍作介绍，这也是整个内核结构中比较重要的部分。

接下来介绍一下几个关联比较密切的局部和全局变量，局部变量包括OS_PCB中的OSTCBX, OSTCBY, OSTCBBitX, OSTCBBitY,全局变量包括OSUnMapTbl, OSPrioHighRdy, OSRdyGrp, OSRdyTbl。

在OSTaskCreate的OS_TCBInit函数中有如下一段代码，可以从中看到创建任务的优先级和OS_PCB中四个局部变量的关系。操作系统根据任务优先级把任务分为不同的group，OSTCBY变量中存放的就是group的信息，每个group中有多少个任务则放在OSTCBX中。需要说明的是在ucos的内核设计过程中，通过宏定义将操作系统的可以创建的任务个数（OS_LOWEST_PRIO）分为64和256。在OS_LOWEST_PRIO是64的时候，会将任务分为8个group，每个group中最多会有8个任务，在如下代码中优先级<=63时，prio的最大值是63所以prio最大有6位，可以看到group和每个group任务的个数；在OS_LOWEST_PRIO是256的时候，会将任务分为16个group，每个group最多有16个任务。

通过全局变量OSRdyGrp来记录有属于哪个group的任务处于ready状态等待执行，为了降低操作系统内存的使用，通过Bit位代表每一个group并存储在OSRdyGrp中。OSRdyTbl则是代表属于哪个group中有多少个任务处于ready状态。为了更好的计算，每个操作系统在创建之初会提前计算好自己Bit位值，如下程序中OSTCBBITY和OSTCBBitX（OS_PRIO是根据OS_LOWEST_PRIO来计算定义的）。

#if OS_LOWEST_PRIO <= 63u                                         /* Pre-compute X, Y                  */
        ptcb->OSTCBY             = (INT8U)(prio >> 3u);
        ptcb->OSTCBX             = (INT8U)(prio & 0x07u);
#else                                                             /* Pre-compute X, Y                  */
        ptcb->OSTCBY             = (INT8U)((INT8U)(prio >> 4u) & 0xFFu);
        ptcb->OSTCBX             = (INT8U) (prio & 0x0Fu);
#endif
                                                                  /* Pre-compute BitX and BitY         */
        ptcb->OSTCBBitY          = (OS_PRIO)(1uL << ptcb->OSTCBY);
        ptcb->OSTCBBitX          = (OS_PRIO)(1uL << ptcb->OSTCBX);

上面介绍的几个全局变量中还有两个OSUnMapTbl, OSPrioHighRdy。OSUnMapTbl是一个匹配数组，数组中存放的是每个index值化成2进制，数值是1的bit位的位置是多少。当输入任务处于ready状态的group值时，可以得到那个group值最小；同理，当输入每个group中任务table时，可以得到这个group中优先级数据最小的任务，当然优先级数值越小代表优先级越高，从而通过取到的值经过计算得到优先级的数值。下面代码很好的诠释了OSPrioHighRdy这个是如何计算的。对于当OS_LOWEST_PRIO是256时，计算会复杂一些，当任务group或者table在8-16这个范围，会通过移位计算，因为OSUnMapTbl是按照8位一组设计的数组。

static void OS_SchedNew (void)
{
#if OS_LOWEST_PRIO <= 63                         /* See if we support up to 64 tasks                   */
    INT8U   y;

    y             = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
    OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << ) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);
#else                                            /* We support up to 256 tasks                         */
    INT8U   y;
    INT16U *ptbl;

    if ((OSRdyGrp & 0xFF) != ) {
        y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp & 0xFF];
    } else {
        y = OSUnMapTbl[(OSRdyGrp >> ) & 0xFF] + ;
    }
    ptbl = &OSRdyTbl[y];
    if ((*ptbl & 0xFF) != ) {
        OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << ) + OSUnMapTbl[(*ptbl & 0xFF)]);
    } else {
        OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << ) + OSUnMapTbl[(*ptbl >> ) & 0xFF] + );
    }
#endif
}

其次，介绍一下内核中几个比较重要的全局变量，如下所示：

OS_EXT  OS_TCB           *OSTCBCur;                        /* Pointer to currently running TCB         */
OS_EXT  OS_TCB           *OSTCBFreeList;                   /* Pointer to list of free TCBs             */
OS_EXT  OS_TCB           *OSTCBHighRdy;                    /* Pointer to highest priority TCB R-to-R   */
OS_EXT  OS_TCB           *OSTCBList;                       /* Pointer to doubly linked list of TCBs    */
OS_EXT  OS_TCB           *OSTCBPrioTbl[OS_LOWEST_PRIO + ];/* Table of pointers to created TCBs        */
OS_EXT  OS_TCB            OSTCBTbl[OS_MAX_TASKS + OS_N_SYS_TASKS];   /* Table of TCBs

1. OSTCBCur是一个OS_TCB类型的指针，指向当前正在运行的任务的TCB的地址；

2. OSTCBFreeList是一个指向没有使用的TCB列表的地址的指针；

3. OSTCBHighRdy指向当前处于当前处于ready状态的最高优先级的任务TCB地址的指针；

4. OSTCBList指向TCB列表的地址的指针；

5. OSTCBPrioTbl中存储的是对应优先级创建任务的TCB的地址，对于每一个优先级来说，当值是(OS_TCB *)1时，表示当前优先级reservd,当值时(OS_TCB *)0时，表示当前优先级可用；

6. OSTCBTbl是提前为每个优先级分配的TCB Table的内存。

再次，讲一下任务的创建，将通过简化代码，讲一下代码设计内容，此内容为个人理解，语言有可能"个人味"比较重，可以看一下邵老师对这块的分析。简化代码如下：

INT8U  OSTaskCreate (void   (*task)(void *p_arg),
                     void    *p_arg,
                     OS_STK  *ptos,
                     INT8U    prio)
{
    OS_STK    *psp;
    INT8U      err;
    OS_ENTER_CRITICAL();
    if (OSIntNesting > 0u) {                 /* 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 *)) { /* Make sure task doesn't already exist at this priority  */
        OSTCBPrioTbl[prio] = OS_TCB_RESERVED;/* Reserve the priority to prevent others from doing ...  */
                                             /* ... the same thing until task is created.              */
        OS_EXIT_CRITICAL();
        psp = OSTaskStkInit(task, p_arg, ptos, 0u);             /* Initialize the task's stack         */
        err = OS_TCBInit(prio, psp, (OS_STK *), 0u, 0u, (void *), 0u);
        if (err == OS_ERR_NONE) {
            if (OSRunning == OS_TRUE) {      /* Find highest priority task if multitasking has started */
                OS_Sched();
            }
        } else {
            OS_ENTER_CRITICAL();
            OSTCBPrioTbl[prio] = (OS_TCB *);/* Make this priority available to others                 */
            OS_EXIT_CRITICAL();
        }
        return (err);
    }
    OS_EXIT_CRITICAL();
    return (OS_ERR_PRIO_EXIST);
}

上面已经说过，OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()是成对存在的。任务创建时，会判断当前是否在中断中创建任务，如果是则会开中断，返回一个错误；然后判断当前优先级TCB是否被占用（if (OSTCBPrioTbl[prio] == (OS_TCB *)0) ），如果被占用，则开中断，返回优先级存在错误码；如果没有被占用，则设置当前任务的TCB table为reserved状态，说明当前任务优先级不能再被分配给其他任务，然后开中断；之后，会设置当前任务的堆栈地址和大小，用于切换任务时状态的保存和恢复；然后是对分配得到的TCB进行初始化，对TCB进行初始配置，简化参数主要包括上面提到OS_TCB中的参数配置，在对TCB初始化时，返回OS_ERR_NONE时，说明创建任务成功，这时候会重新进行最高优先级的选择，任务调度OS_Send（任务调度其实就是选择最高优先级的任务，然后将堆栈指针中的数据替换掉然后保存原来的CPU寄存器的过程），如果创建TCB初始化错误即任务创建错误，则会将分配的TCB释放掉，函数返回err。当前函数的临界区开关中断函数成对出现，当进入到子函数时，其实也是成对出现，关系比较清楚。

任务创建相对简单，将代码中一些可选的功能去掉后，代码就变得很简单清楚，需要什么功能，添加什么功能分析，会比较调条理，如果整体的去分析解读会显得比较乱，不利于梳理。

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