1

Het uC/OS-II RTOS

2

Embedded systeem

3

Programma voorgrond/achtergrond systeem

4

De meeste toepassingen (in het bijzonder 8-bit systemen) bestaan uit slechts een programma, en daarom geen behoefte aan een "traditionele" besturingssysteem. ROM monitoren vervangen door het besturingssysteem.

Operating systeem nodig ?

Meer complexe systemen van vandaag vereisen meer complexe besturing en daarom behoefte aan een besturingssysteem van een soort.

5

Type operating systemen

• monolithische kernel

• microkernel

Desktop (windows,linux,…)

QNX, minix, symbian OS

• kleine real-time OSKernel in de vorm van een API.

6

Het microCOS-II operating systeem

7

Plaats van het operating systeem

8

MicroC/OS-II

Kenmerken:

• portable

• Deterministisch

• Multitasking (max. 64 taken)

• Preemptive

•ROMable, scalable

• Prioriteit

9

• Services : Mailboxes, Queues, Semaphores, fixedsizedmemory partitions, time-related functions

MicroC/OS-II

Kenmerken:

• Interrupt Management: geneste Interrupt

• Robuust en betrouwbaar

Tekortkomingen:

• Elke taak heeft een unieke prioriteit.

• Geen priority inherintance

10

MicroC/OS-II architectuur

11

Taken:• Kan 64 taken managen (2 taken voor eigen

gebruik)

• De 4 hoogste en de 4 laagste prioriteiten zijn voor eigen gebruik

• 56 applicatie taken

• Hoe lager de waarde van de prioriteit hoe hoger de prioriteit.

• De taak prioriteit nummer dient ook als de taak identifier

12

L ow P rio rity T ask

H igh P rio rity T ask

IS R

IS R m akes the h ighprio rity tas k ready

L ow prio rity tas kre linquis hes the C P U

T ime

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Non –preemptive taak scheduling

13

L ow P rio rity T ask

H igh P rio rity T ask

IS R

IS R m akes the h ighprio rity tas k ready T im e

PreemptiveTaak scheduling

14

Voorbeeld taken.

void taak2(void* pdata){ while(1) print b;}

void taak1(void* pdata){ while(1) print a;}

int main(){ initialiseer; creëer taak1; creëer taak2; start scheduling;}

15

Task context switch

16

RU NNINGRE ADY

O S TaskC reate()O S TaskC reateE xt()

Task is P reempted

O S MB oxP end()O S Q P end()

O S S emP end()O S TaskS uspend()O S Tim eDly()O S Tim eDlyHMS M()

O S MB oxP ost()O S Q P ost()O S Q P ostFront()O S S emP ost()O S TaskR esum e()O S Tim eDlyR esum e()O S Tim eTick()

O S TaskDel()

DORMANT

WAIT ING

O S S tart()O S IntE xit()

O S _ TA S K _ S W ()

O S TaskDel()

O S TaskDel()

Interrupt

O S IntE xit()

ISR

Task context switch

17

Datastructuur van de ready-list

18

Datastructuur van de ready-list

Nadeel:

Voordeel:

• Taken kunnen niet dezelfde prioriteit hebben’• Aantal taken is gelimiteerd.

• store/load in constante tijd.

19

Datastructuur na de initialisatie2 taken(Stat en Idle) die door het OS gebruikt worden

20

Suspended van een taak

Bit wordtgecleared

Link blijft bestaan

21

Running(2)Zoek hoogste prioriteit in groep

(3)Zet state op running

(1)Zoek hoogste prioriteit groep

22

• Wanneer een taak wordt gemaakt, wordt er een Task Control Block aangewezen, OS_TCB

• OS_TCB is een data structuur die wordt gebruikt door UC/OS-II de state van een taak bij te behouden wanneer het preempted wordt

• Alle OS_TCB staan in het RAM

• Een OS_TCB wordt geïnitialiseerd wanneer een taak wordt gemaakt

Beheer van de taken

23

S P

C P U R eg is ters

S P

T as k C o ntro l B lo c k

Priority

C o ntext

Stac k Stac k Stac k

C PU

MEMORY

T ASK #1 T ASK #2 T ASK #n

S P

T as k C o ntro l B lo c k

Priority

S P

T as k C o ntro l B lo c k

Priority

Status Status Status

Task context switch

24

Task context switch

Elke taak heeft een stack waar de bijbehorende informatie wordt opgeslagen.

Om ervoor te zorgen dat de taak die gedwongen wordt de CPU op te geven, verder kan gaan zonder verlies van alle vitale informatie of gegevens

Doel contex switch

25

Task context switch

26

Task context switch

27

Task context switchvoor een taak wisseling

return adres

Lokale variabele

taak 1

Stack pointer

return adres

CPU registers bij het switchen

Taak 2 lokale variabele bij het switchen

Taak 2 code adres bij het switchen

Taak 2 wordt runningis ready

Taak 1 is running

stacktaak 2stack

taak 1

28

Return adres

Lokale variabele

Return adres

CPU registers bij het switchen

Taak 2 lokale variabele bij het switchen

Taak 2 code adres bij het switchen

Taak 2 stackTaak 1 stack

huidige stackpointer

Huidige

CPU

registers

Huidige

program

counterStack pointer

Taak 1 TCB

Stack pointer

Taak 1 TCB

Task context switchtijdens een taak wisseling

29

return adres

CPU registers bij het switchen

Taak 1 lokale variabele bij het switchen

Taak 1 code adres bij het switchen

Taak 1 wordt running

is ready

Loacale variabele

taak 2

Stack pointer

Return adres

Taak 2 running

Task context switchna een taak wisseling

30

Task context switch

Interrupt (hardware of software) van de context switchPush return adresPush FLAGS register

ISR (context switch routine)• Push alle registers• Sla SP op in TCB (task control block)• Select de ready taak met de hoogste prioriteit (Scheduler)• Restore de SP van de TCB van de geselecteerde taak• Pop alle registers• iret (return interrupt, pop FLAGS en return adres)

Switch to new task

31

Memory management

32

• Dynamic memory allocation kan verkregen worden door gebruik te maken van malloc() en de free() functies

• Gebruik van malloc() en de free() in een embedded real-time system is gevaarlijk

• Eventueel kan fragmentation plaatsvinden• Execution time van malloc() en free() zijn nondeterministic.

Het aanvragen van geheugen.

Het uC/OS-II kent geheugen blokken met een vaste grootte toe.

• Geheugenblokken zijn afkomstig van een partitie die in het geheugen gedeclareerd is.

• Het alloceren en dealloceren van geheugen gebeurt hierdoor in een continue tijd.

• Geheugenblokken kunnen verschillende grootte hebben.

33

Partition

Block

Start address

Partition #1 Partition #2 Partition #3 Partition #4memory partition

multiple memory partitions

Het aanvragen van geheugen. geheugenblokken

34

OSMemAddr

OSMemFreeList

OSMemBlkSize

OSMemNBlks

OSMemNFree

OSMemAddr

OSMemFreeList

OSMemBlkSize

OSMemNBlks

OSMemNFree

OSMemAddr

OSMemFreeList

OSMemBlkSize

OSMemNBlks

OSMemNFree

0OSMemFreeList

OS_MAX_MEM_PART

Het aanvragen van geheugen. Memory Control Block

• Het uC/OS-II houdt het geheugen bij d.m.v een Memory Control Block (MCB)

• Elke partitie heeft zijn eigen MCB.• Initialisatie wordt gedaan door de functie OS_MemInit() die de gelinkte lijst creeerd.

35

Memory control block.

typedef struct { void *OSMemAddr; //A void *OSMemFreeList; //B INT32U OSMemBlkSize; //C INT32U OSMemNBlks; //D INT32U OSMemNFree; //E} OS_MEM;

A. Is een pointer naar het begin van de geheugenpartitie.B. Is een pointer naar het eerst volgende vrije geheugen

ruimte.C. Is de grootte van elke geheugenblok in de partitie.D. Is het totaal aan geheugenblokken per partitie.E. Hoeveel geheugenblokken beschikbaar zijn.

36

OS_MEM *CommTxBuf;INT8U CommTxPart[100][32];void main (void){ INT8U err; OSInit(); . . CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, &err); . . OSStart();}

Creëren van een partitie OSMemCreate()

Vier argumenten zijn vereist• Begin addres van de memory partition.• Het aantal blocken dat gealloceerd wordt van de partition.• De grootte (in bytes) van elk block.• Een pointer naar de variabele die de error code bevat.

37

0

OSMemAddr = addr

OSMemFreeList= addr

OSMemBlkSize = blksize

OSMemNBlks = nblks

OSMemNFree = nblks

Contiguous memory

pmem

OSMemCreate() arguments

Data structuur na een geslaagde OSMemCreate()

38

Aanmaken van taken

INT8U OSTaskCreate ( ){

}

int8U prio => prioriteit

OS_STK *ptos =>pointer naar de top van de stack

void *pdata pointer naar de argumenten van de taak

void (*task)(void *pd) pointer naar de taak

, INT8U prioOS_STK *ptos

void *pdata,void (*task)(void *pd),

39

Bewerken van taken

OSTaskResume()

OSTaskDelReq()

OSTaskSuspend()

OSTaskDel()

http://sigpromu.org/brett/elec3730/quickref.htmlQuick reference:

40

Interproces communicatiemessage box

Task

ISR

Task

OSMboxPend()OSMboxAccept()OSMboxQuery()

OSMboxPost()

OSMboxPost()OSMboxAccept()

OSMboxCreate()

MailboxMessage

41

Task

ISR

Task

OSQPend()OSQAccept()OSQQuery()

OSQPost()OSQPostFront()OSQFlush()

OSQPost()OSQPostFront()OSQFlush()OSQAccept()

OSQCreate()

QueueMessage

N

Interproces communicatiemessage queue

42

Message Queue Management

43

Een Message Queue als een circulare buffer van pointers

#define RIJGROOTTE 5

OS_EVENT *postrijev;

void* postrij[RIJGROOTTE];

C code

Het creeeren van een message queue.

postrijev=OSQCreate(postrij,RIJGROOTTE);

OS_EVENT *OSQCreate(void **start, INT8U size);

OS_EVENT *postrijev;

C code

Het schrijven in een message queue.

typedef struct {

char c;

int i;

}dubbel;

INT8U OSQPost(OS_EVENT *pevent, void *msg);

rt=OSQPost(postrijev,&boodschap);

if(rt==OS_NO_ERR)

INT8U rt;

dubbel boodschap={1,’i’}

OS_EVENT *postrijev;

C code

Het lezen uit een message queue.

void *OSQPend(OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *err);

typedef struct {

char c;

int i;

}dubbel;

p_ontv= OSQPend( );

dubbel *p_ontv

INT8U fout;

p_ontv=(dubbel*)OSQPend(postrijev,0,&fout);

47

Porting uC/OS-II

48

Een processor kan uC / OS-II draaien, indien aan de volgende eisen voldaan wordt

Er moet een C compiler voor de microcontroller zijn.

Interrupts moeten in C gedisabled en ge-enabled kunnen worden.

De processor moet interrupt ondersteunen en ondersteunt intervallen tussen de 10 en de 100 Hz.

De processor moet instructies hebben voor het laden en opslaan van de stack pointer en andere CPU-registers, hetzij op de stack of in het geheugen.

49

OS_CFG.HINCLUDES.H

µC/OS-II(Processor Independent Code)

µC/OS-II Port(Processor Specific Code)

µC/OS-II Configuration(Application Specific)

Application Software

OS_CORE.COS_MBOX.COS_MEM.COS_Q.COS_SEM.COS_TASK.COS_TIME.C

uCOS_II.CuCOS_II.H

OS_CPU.HOS_CPU_A.ASM

OS_CPU_C.C

CPU Timer

Software

Hardware

Setting the value of 2 #define constants (OS_CPU.H)Declaring 11 data types (OS_CPU.H)Declaring 2 #define macros (OS_CPU.H)Writing 10 simple functions in C (OS_CPU_C.C)Writing 4 assembly language functions (OS_CPU_A.ASM)

50

51

#ifdef OS_CPU_GLOBALS#define OS_CPU_EXT#else#define OS_CPU_EXT extern#endif/*********************************************************************************************************** DATA TYPES* (Compiler Specific)**********************************************************************************************************/typedef unsigned char BOOLEAN;typedef unsigned char INT8U; /* Unsigned 8 bit quantity */ (1)typedef signed char INT8S; /* Signed 8 bit quantity */typedef unsigned int INT16U; /* Unsigned 16 bit quantity */typedef signed int INT16S; /* Signed 16 bit quantity */typedef unsigned long INT32U; /* Unsigned 32 bit quantity */typedef signed long INT32S; /* Signed 32 bit quantity */typedef float FP32; /* Single precision floating point */ (2)typedef double FP64; /* Double precision floating point */typedef unsigned int OS_STK; /* Each stack entry is 16-bit wide *//*********************************************************************************************************** Processor Specifics**********************************************************************************************************/#define OS_ENTER_CRITICAL() ??? /* Disable interrupts */ (3)#define OS_EXIT_CRITICAL() ??? /* Enable interrupts */

#define OS_STK_GROWTH 1 /* Define stack growth: 1 = Down, 0 = Up */ (4) 1 #define#define OS_TASK_SW() ??? (5)

OS_CPU.H

52

OS_Enter_Critical() and OS_Exit_Critical()

Macros voor enable en disable interrupt

Os_Enter_Critcal();

//uC/OS-II kritische code sectie

Os_Exit_Critcal();

#define Os_Enter_Critcal() \asm(“ PUSH PSW”); \asm(“DI”);

#define Os_Exit_Critcal() DIasm(“ POP PSW”); \asm(“EI”);

#define Os_Enter_Critcal() DI#define Os_Exit_Critcal() SEI

53

Voor een uC/OS-II port zullen een aantal eenvoudige C functies moeten worden herschreven

OSTaskStkInit()

Deze functie wordt aangeroepen door o.a. OSTaskCreate() om de stack van een taak te initialiseren.

OS_STK *OSTaskStkInit() (void (*task)(void *pd),void *pdata, OS_STK *ptos, INIT16U opt);

{1. simulate call to function with

an argument(i.e. pdata);2. Simulate ISR vector;3. Setup stack frame to contain desired

initial values of all registers;4. Return new top-of-stack pointer

to caller;

}

void MyTask (void *pdata){ /* Do something with argument pdata’ */ for (;;) { /* Task code */ }}

54

OSTaskStkInit()

Processor Status Word

Interrupt Return Address

LOW MEMORY

HIGH MEMORY

Stack Growth

Saved Processor Registers

'pdata'

Task start address

Stack Pointer

(1)

(2)

(3)

(4)

OS_STK *OSTaskStkInit() (void (*task)(void *pd), void *pdata,

OS_STK *ptos, INIT16U opt);

{simulate call to function with an argument (i.e. pdata);Simulate ISR vector;Setup stack frame to contain desired initial values of all registers;Return new top-of-stack pointer to caller; }

55

Processor Status Word

Interrupt Return Address

LOW MEMORY

HIGH MEMORY

Stack Growth

Saved Processor Registers

'pdata'

Task start address

Stack Pointer

(1)

(2)

(3)

(4)

Stackframe geinitialiseerd met pdata.

56

Context Switch

• Om een ready task running te maken moeten alle processor registers van de task’s stack terug gezet worden en een “return from interrupt” terug gezet worden.

• OS_TASk_SW(): is een macro welke altijd wordt aangeroepen van task-level code. De OS_TASK_SW() moet een interrupt simuleren.Het maakt een software interrupt (in assembler code) en zet de interrupt vector naar de OSCtxSw() (assembler programma)

• OSIntExit() wordt gebruikt bij een context switch wanneer bij een ISR die een taak met een hogere prioriteit laat uitvoeren.

57

Context Switch

OS_CPU_A.ASM•OSStartHighRdy()•OSCtxSw()•OSIntCtxSw()•OSTickISR()

OSStartHighRdy() wordt aangeroepen door OSStart() om de taak met de hoogste prioriteit te laten starten.

Voordat OSStart() aangeroepen kan worden moet minimaal 1 taak gecreëerd zijn.

58

OSTickISR()

uC/OS-II eist een periodieke tijd voor het bijhouden van delays en time-outs

Een ”ticker interrupts” moet geenabled worden nadat de multitasking is gestart, dat gebeurd na het aanroepen van OSStart().

Wanneer de ticker interrupt wordt geenabled voor de aanroeping van OSStart(), kan het systeem crashen.

void main(void){ . OSInit(); /* Initialize µC/OS-II */ . /* Application initialization code ... */ /* ... Create at least on task by calling OSTaskCreate() */ . . Enable TICKER interrupts; /* DO NOT DO THIS HERE!!! */ . . OSStart(); /* Start multitasking */}

59

Pseudocode for tick ISR

void OSTickISR(void){

Save processor registers;Call OSIntEnter() or increment OSIntNesting;if (OSIntNexting == 1){

OSTCBCur->OSTCBStkPtr = Stack Pointer;}clear interrupting device;Call OSTimeTick();Call OSIntExit();Restore processor registers;Execute a return from interrupt instruction;

}

Aangeven dat je in een interrupt zit

Verantwoordelijk voor de interne timers

Save sp in

huidige taak