高等院校通用教材•嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用.pdf

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《嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用(第2版)》:高等院校通用教材

目录
第1章 嵌入式实时操作系统的基本概念1
1.1 计算机操作系统1
1.1.1 什么是计算机操作系统1
1.1.2 操作系统的作用和功能2
1.2 嵌入式系统和嵌入式操作系统3
1.2.1 嵌入式系统的基本概念4
1.2.2 嵌入式操作系统7
1.2.3 实时操作系统需要满足的条件9
1.2.4 嵌入式系统的任务及嵌入式实时操作系统11
1.3 嵌入式实时操作系统μC/OSII简介12
1.4 小结13
1.5 练习题13

第2章 预备知识14
2.1 开发工具14
2.1.1 Borland C 3.1及其精简版14
2.1.2 多文件程序的编译和连接19
2.2 工程管理工具make及makefile22
2.3 复杂工程项目的管理30
2.3.1 批处理文件与makefile的综合使用30
2.3.2 复杂工程管理示例31
2.4 常用数据结构35
2.4.1 程序控制块35
2.4.2 控制块的组织——链表39
2.4.3 位图40
2.5 小结40
2.6 练习题41

第3章 μC/OSII中的任务42
3.1 任务的基本概念42
3.1.1 任务及其内存结构42
3.1.2 任务的状态44
3.1.3 用户任务代码的一般结构45
3.1.4 系统任务46
3.1.5 任务的优先权及优先级别48
3.2 任务堆栈48
3.2.1 任务堆栈的创建49
3.2.2 任务堆栈的初始化51
3.3 任务控制块及其链表52
3.3.1 任务控制块结构52
3.3.2 任务控制块链表53
3.3.3 任务控制块的初始化55
3.4 任务就绪表及任务调度56
3.4.1 任务就绪表结构56
3.4.2 对任务就绪表的操作58

3.4.3 任务调度59
3.5 任务的创建65
3.5.1 用函数OSTaskCreate()创建任务65
3.5.2 用函数OSTaskCreateExt()创建任务67
3.5.3 创建任务的一般方法67
3.6 任务的挂起和恢复74
3.6.1 挂起任务74
3.6.2 恢复任务74
3.7 其他任务管理函数80
3.7.1 任务优先级别的修改80
3.7.2 任务的删除81
3.7.3 查询任务的信息87
3.8 μC/OSII的初始化和任务的启动87
3.8.1 μC/OSII的初始化87
3.8.2 μC/OSII的启动89
3.9 小结91
3.10 练习题92

第4章 μC/OSII的中断和时钟93
4.1 μC/OSII的中断93
4.1.1 μC/OSII的中断过程93
4.1.2 中断级任务切换函数97
4.1.3 应用程序中的临界段97
4.2 μC/OSII的时钟99
4.3 时间管理106
4.3.1 任务的延时106
4.3.2 取消任务的延时107
4.3.3 获取和设置系统时间112
4.4 小结114
4.5 练习题115

第5章 任务的同步与通信116
5.1 任务的同步和事件116
5.1.1任务间的同步116
5.1.2事件117
5.2 事件控制块及事件处理函数129
5.2.1 事件控制块的结构129
5.2.2 操作事件控制块的函数131
5.2.3 空事件控制块链表133
5.3 信号量及其操作134
5.3.1信号量134
5.3.2信号量的操作135
5.4 互斥型信号量和任务优先级反转144
5.4.1任务优先级的反转现象145
5.4.2互斥型信号量150
5.5消息邮箱及其操作153
5.5.1消息邮箱153
5.5.2消息邮箱的操作154
5.6 消息队列及其操作159
5.6.1消息队列159
5.6.2消息队列的操作162
5.7小结168
5.8练习题169

第6章 信号量集170
6.1信号量集的结构170
6.1.1基本概念170
6.1.2信号量集的结构171
6.1.3 对等待任务链表的操作175
6.1.4 空标志组链表175
6.2 信号量集的操作176
6.2.1创建信号量集176
6.2.2 请求信号量集178
6.2.3 向信号量集发送信号178
6.2.4 查询信号量集的状态184
6.2.5 删除信号量集187
6.3 小结187
6.4 练习题187

第7章 动态内存管理188
7.1 内存控制块188
7.1.1 可动态分配内存的划分188
7.1.2 内存控制块OS_MEM的结构189
7.1.3 空内存控制块链表190
7.2 动态内存的管理190
7.2.1 创建动态内存分区191
7.2.2 请求获得一个内存块193
7.2.3 释放一个内存块195
7.2.4 查询一个内存分区的状态199
7.3 小结204
7.4 练习题204

第8章 在51单片机上移植μC/OSII205
8.1 μC/OSII移植的一般性问题205
8.1.1 可重入函数的概念205
8.1.2 时钟节拍的产生206
8.1.3 任务堆栈的设计206
8.2 在51系列单片机上移植μC/OSII207
8.2.1 文件OS_CPU.H的修改207
8.2.2 任务堆栈的设计208
8.2.3 文件OS_CPU_C.C的修改215
8.2.4 几点注意事项216
8.3 应用举例216
8.3.1 LED数码显示器的驱动程序216
8.3.2 串行接口的应用218
8.4 小结226
8.5 练习题226

第9章 基于ARM的μC/OSII 227
9.1 移植规划227
9.1.1 编译器的选择227
9.1.2 ARM7工作模式的选择227
9.2 移植228
9.2.1 文件OS_CPU.H的编写228
9.2.2 文件OS_CPU_C.C的编写230
9.2.3 文件OS_CPU_A.S的编写237
9.2.4 关于中断及时钟节拍240
9.3 在LPC2000上移植μC/OSII241
9.3.1 挂接SWI软件中断242
9.3.2 中断及时钟节拍中断242
9.3.3 一个基于μC/OSII和ARM的应用程序实例243
9.4 小结245
9.5 练习题245

第10章 μC/OSII在80x86上的移植246
10.1 概述246
10.2 任务切换247
10.2.1 任务切换函数OSCtxSw()247
10.2.2 任务切换宏OS_TASK_SW()249
10.2.3 中断级任务切换函数OSIntCtxSw()250
10.3 系统时钟251
10.3.1 PC中DOS的系统时钟251
10.3.2 PC中μC/OSII的系统时钟251
10.3.3 μC/OSII系统时钟中断服务程序253
10.3.4 μC/OSII系统时钟中断向量的安装253
10.3.5 由μC/OSII返回DOS254
10.4 小结255

第11章 μC/OSII可剪裁性的实现 256
11.1 文件OS_CFG.H中用于系统裁剪的常量256
11.2 配置常量的解释258
11.2.1 OS_MAX_EVENTS258
11.2.2 OS_MAX_MEM_PARTS259
11.2.3 OS_MAX_QS259
11.2.4 OS_MAX_MEM_TASKS259
11.2.5 OS_LOWEST_PRIO259
11.2.6 OS_TASK_IDLE_STK_SIZE260
11.2.7 OS_TASK_STAT_EN260
11.2.8 OS_TASK_STAT_STK_SIZE260
11.2.9 OS_CPU_HOOKS_EN260
11.2.10 OS_MBOX_EN261
11.2.11 OS_MEM_EN261
11.2.12 OS_Q_EN261
11.2.13 OS_SEM_EN261
11.2.14 OS_TASK_CHANGE_PRIO_EN261
11.2.15 OS_TASK_CREATE_EN261
11.2.16 OS_TASK_CREATE_EXT_EN262
11.2.17 OS_TASK_DEL_EN262
11.2.18 OS_TASK_SUSPEND_EN262
11.2.19 OS_TICKS_PER_SEC262

附录A 文件PC.C中的函数 263
A.1 字符显示函数263
A.1.1 显示一个字符的函数PC_DispChar263
A.1.2 清屏幕一列显示的函数PC_DispClrCol263
A.1.3 清屏幕一行显示的函数PC_DispClrRow263
A.1.4 清屏函数PC_DispClrScr264
A.1.5 显示字符串函数PC_DispStr264
A.1.6 颜色常量的定义264
A.2 保存和恢复DOS环境的函数265
A.2.1 保存DOS环境的函数PC_DOSSaveReturn()265
A.2.2 恢复DOS环境的函数PC_DOSReturn()265
A.3 设置和获取中断向量的函数265
A.3.1 设置中断向量的函数PC_VectSet()265
A.3.2 获取中断向量的函数PC_VectGet()265

附录B μC/OSII中使用的数据类型 266

附录C C51开发工具μVision2简介 267
C.1 C51语言的扩展267
C.1.1 数据类型267
C.1.2 存储器类型268
C.1.3 存储模式269
C.1.4 指针270
C.1.5 可重入函数271
C.1.6 与汇编语言的接口272
C.1.7 库函数273
C.2 创建项目273
C.2.1 启动μVision2并创建一个项目273
C.2.2 新建一个源文件274
C.2.3 增加和配置初始化代码274
C.2.4 为目标设置工具选项275
C.2.5 Build项目并生成HEX文件275
C.3 常用的菜单选项276
C.3.1 视图菜单View276
C.3.2 项目菜单Project276
C.3.3 调试菜单Debug276
C.3.4 外围器件菜单Peripherals277
参考文献278

序言
时间过得真快,自本书第1版出版转眼已有4年。当得知要出第2版时,心里很高兴,既因为有越来越多的人加入了嵌入式系统研究和应用的行列,也因为拙作确实为嵌入式系统初学者提供了一些帮助。
自本书第1版出版,作者陆续收到了很多读者的来信。这些来信除了褒奖和鼓励之外,也提出了一些问题。对于其中具有普遍性的问题,作者借此机会谈一谈自己的认识和看法,同时也介绍第2版内容上的变化。
1. 学习μC/OSII,除了需要C语言之外还需要什么基础知识?
目前,大多数操作系统都用C语言编写,所以在一定程度上掌握C语言是学习μC/OSII的必要基础。但要注意,因为操作系统毕竟是底层软件,所以还需要读者具有一定的汇编语言及一些数据结构的基础知识。当然,读者具有一定操作系统理论基础就更好。
另外,从第1版读者的来信中看到,虽然有很多人具有一定的C语言基础,乃至一定的程序设计能力,但由于他们所设计的程序都比较小,尚未构成一个工程,所以都比较欠缺有关工程文件管理的相关知识(这可能是大多数在校学生的一个普遍问题)。为了方便读者的学习,第2版特别增加了一章(第2章)内容来介绍工程文件管理中经常要使用的工具make.exe 和make file文件的相关知识。
2. 能否介绍一些学习嵌入式操作系统的方法?
其实,学习嵌入式操作系统与学习其他操作系统没有什么区别,因为它们都是具有相同功能的系统软件,只不过根据应用特点,嵌入式系统在要求和设计上有一些特点。例如,嵌入式系统比较讲究效率,要有较强的可裁剪性;对于实时系统来说,嵌入式系统还有一些与通用操作系统不同的算法,等等。但从学习方法的角度来看,学习嵌入式操作系统并没有什么特别之处,大概也就是以下几点:
由于操作系统是一种管理软件,它与人们在生活中使用各种表格、证件(也是一种表格)对事物进行管理的方式没有什么不同,也要用到大量类似的管理用表。操作系统中,这些管理用表就是一些数据结构(例如链表、队列、位图、结构、数组等),所以,学习操作系统的关键就是首先了解它的数据结构。一旦了解了它们,那么对于系统也就有了总体的把握。 对于μC/OSII这种规模比较小且源码开放的系统来说,按照自己的想法对它进行修改,然后通过实验来学习是一种极其有效的方法。特别是在有了μC/OSII基础后,在学习某些大型操作系统(如Linux)的过程中,按照这些大型系统的做法对μC/OSII做一些扩展,会使得学习效果更好。
3. μC/OSII、Linux、Windows CE、Vx Works等都是嵌入式操作系统,难道都要学吗?如果要学,那么应该学习哪一个?
这是读者问得最多、也最难回答的一个问题。作者认为,如果读者的学习目的是要真正了解操作系统的内核及其工作原理,那么就学习源码开放的μC/OSII和Linux;如果只是应用,那么就是工程项目要求用哪个操系统就学习哪个操作系统。但作为学生,或者是想真正成为一个嵌入式系统设计者,那么必须学习μC/OSII和Linux。
4. 据说现在人们都学习和使用Linux,那么学习μC/OSII有意义吗?
现在确实有很多嵌入式系统在使用Linux,之所以如此,其主要原因就在于它是源码开放的系统,加之它确实是一个很优秀的操作系统,所以真正研究嵌入式系统的人必须学习Linux。但Linux相当庞大,对于没有一定基础的人来说,直接学习Linux会遇到很大的困难。所以,先通过μC/OSII的学习来奠定一定的基础,再去学习Linux就会有事半功倍的效果。
5. μC/OSII版本变化很快,对于学习者来说,是否需要学习它的最新版本?
这是一个见仁见智的问题。的确,源码开放的操作系统都有版本变化快速的特点,以至于一个版本还未熟悉,一个新的版本又出来了。
另外,与通用操作系统相比,μC/OSII很有些另类,这也就是它的信息量相当大,
如果读者能不断地对它进行品味,将会在不同的学习阶段有不同的体会。
参加本书编写的有任哲、赵洪玉和房红征,全书由任哲统稿。由于作者水平有限,书中难免存在不足乃至错误,希望读者在发现错误时能及时来信联系。
本书例题代码可到北京航空航天大学出版社网站的下载中心去下载。

文摘
插图:

高等院校通用教材•嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用
第1章嵌入式实时操作系统的基本概念
操作系统(Operating System.OS)是一种系统软件。它在计算机硬件与计算机应用程序之间,通过提供应用程序接口(Application Programming Interface,API),屏蔽了计算机硬件工作的一些细节,从而使应用程序的设计人员得以在一个友好的平台上进行应用程序的设计和开发,大大提高了应用程序的开发效率。
嵌入式系统作为一种计算机系统,当然也需要一个合适的操作系统的支持,这种应用于嵌入式系统中的挺作系统就叫做嵌入式操作系统。
本章的主要内容有:
●计算机操作系统的基本概念;
●嵌入式系统的基本概念;
●实时操作系统的概念。
1.1 计算机操作系统
1.1.1 什么是计算机操作系统
众所周知,计算机是一种功能强大的数字运算装置。作为一种装置,它需要由诸如中央微处理器(CPU)、存储器、接口及外部设备等一些实际物理装置来构成。这些构成计算机的实际物理装置,就是计算机的硬件系统。
只由硬件构成的计算机叫做“裸机”。这种“裸机”是不能工作的.计算机必须在硬件的基础上配以相应的软件才能构成真正的计算机系统.才能完成人们所交付的各种计算任务。如果用人来做比喻的话,计算机的硬件就相当于人的骨骼、肌肉等看得见摸得着的实体,而计算机的软件就相当于人头脑中存储的思想.、方法等看不见摸不着的东西。显然,没有思想的人不能叫做一个“活人”,或者不能叫做一个“真正的人”,这样的人是什么工作也做不了的。

内容简介
μC/OS-Ⅱ是一个源码开放的嵌入式实时操作系统的内核。《嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用(第2版)》详细地介绍了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ内核的任务管理和调度、系统时钟和节拍服务、时间管理、中断、任务的通信和同步、内存的简单管理原理,同时给出了大量的实例以帮助读者学习和理解。最后,还介绍了μC/OS-Ⅱ的移植方法。
《嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用(第2版)》可作为高等院校计算机、电子技术、自动化技术、仪器仪表等相关专业的教材,也可供对嵌入式操作系统感兴趣的工程技术人员参考。

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