EPFR

第ｌ６卷。第 期

２００６年８月

計算機技術與發展

ＣＯＭ ＵＩＥＲ ＴＥａ １０ＬＤＧＹ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬｏＰＭ匱Ｎｒ

Ｖ０１．１６ Ｎｏ．８

Ａｕｇ．２００６

嵌入式操作系統ｔｔＣ／ＯＳ的運行機制

石世光 ，陳云洽２，葉奇明３

（１．電子科技大學中山學院計算機工程系，廣東中山５２８４０３；

２，中山大學電子與通信系，廣東廣州５１０２７５；

３．茂名學院師范學院計算機系，廣東茂名５２５０００）

摘要：目前對嵌入系統的引入和應用，已越來越成為廣大科研人員關心的問題。而嵌入式操作系統是嵌入系統應用的核

心，文中主要探討了源代碼開放的嵌入式操作系統￣Ｃ／ＯＳ的內核運行機制。首先分析任務塊的基本結構，然后闡述了任

務管理的實現過程，最后著重討論了任務啟動過程以及在兩種不同情況下的任務切換工作原理，為嵌入式系統開發應用提

供指導作用。

關鍵詞：嵌入式操作系統；￣ｔＣ／ＯＳ；運行機制；任務

中圖分類號：ＴＰ３１６．２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１６７３—６２９Ｘ（２００６）０８—００８５—０３

Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉ￣Ｃ／ＯＳ

ＳＨＩ Ｓｈｉ—ｇｕａｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｙｕｎ．ｑｉａ２

，ＹＥ Ｑｉ—ｍｉＩ１ｇ３

（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇ．，ＺｈｏｕｇｓｈａｎＣｏｉｌ．ｏｆＵｎｉｖ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．ａｎｄＴｅｃｈ．ｏｆＣｈｉｎａ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ ５２８４０３，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇ．，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ Ｕｎｉｖ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０２７５，Ｃｈｉｎａ；

３．Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇ．，Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｏｍｉｎｇ Ｃｏｉｌ．，Ｍａｏｍｉｎｇ ５２５０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｌ￣ｒａｅｔ：Ｎｏｗａｄａｙｓ ｉｔ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙｂｅｃｏｍｅ ａｎｏｔｉｃｅａｂｌｅ ｐｒｏｂｌｅｍｆｏｒｍａｎｙ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｔｏｉｌｌｔｒｏｄｕｃｅａｎｄ ａｐｐｌｙｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔ．

ｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｄｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｉｓｔｈｅ ｃｏｒｅｏｆｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｏｐｅｒａｔｉｃ￣ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅ ｅｍｍｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍ￣ｃ／ｏｓ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｆｕｎｄａｎｍ￣ｔａｌ ｓｔＩ＇ｌＪｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔａｓｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｌｏｃｋ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ。ｅｘｐａｔｉａｔｅｓ ｏｎ

ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔａｓｋ ｌ＇ｐ．Ｒｒｌａｇｅ￣ｑａｅｒｌｔ．Ｆｈａａｌｌｙ，ｄｉｅｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔａｓｋ ｓｔａｎ ａｎｄ ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｓｋ—ｓｗｉｔｃｈ’ｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｒ￣ｐｌｅ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．

Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅｇｏｏｄｈｅｌｐｆｏｒｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ ｏｆｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；，ｕＣ／ＯＳ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｔａｓｋ

Ｏ引 言

當前的嵌入式操作系統層出不窮，而且它們以其各自

不同的特色廣泛分布于通信、航空航天、汽車、醫療、電子

消費等不同的領域。它們性能卓越、功能完備、技術成熟、

服務周全，通過使用這樣的操作系統，可以大大縮短產品

的開發周期，降低開發成本，同時產品的品質也能夠大大

提升。對于一名從事嵌入式系統開發的研究人員或工程

師來說，了解并熟悉嵌入式操作系統是最基本的。

１使用￣Ｃ／ＯＳ操作系統的目的

ｔ￣Ｃ／ＯＳ是專門為中低端嵌入式應用設計的可剝奪型

實時操作系統內核，主體用標準的ＡＮＳＩ Ｃ語言寫成，可

移植性極好。目前已被成功地移植到ＭＣＵ，ＤＳＰ，ＣＰＵ

上，包括８位、１６位、３２位及６４位。它包括了一個操作系

統最基本的一些特性，如任務調度、任務通信、內存管理、

收稿日期：２００６一Ｏ３—１４

作者簡介：石世光（１９７４一），男，湖北大冶人，助教，研究方向為嵌入

式系統開發。

中斷管理等，而且代碼完全開放、結構簡單明了、代碼風格

嚴謹，非常適合初涉嵌入式操作系統的人士學習，它可以

讓人們以最快的速度來了解操作系統的概念、結構和模塊

工作原理，并由淺人深逐步推廣到商用操作系統上。同時

對于那些對操作系統感興趣的愛好者來說，ｔ￣Ｃ／ＯＳ的淺

顯易懂，給人們提供了一個很好的研究標本，這就是要學

習ｔ￣Ｃ／ＯＳ的一個很重要的原因。

￣Ｃ／ＯＳ在高校教學使用是不需要申請許可證的，只

有將￣Ｃ／ＯＳ的目標代碼嵌入到商業產品中，才需要購買

銷售許可證。自１９９２年以來，Ｉ￣Ｃ／ＯＳ已經被應用到數以

百計的產品中，性能完全可以與商業產品相媲美，而且通

過了美國聯邦航空局（ＦＡＡ）商用航行器認證，其性能優良

穩定并且免費，這是要學習ｔ￣Ｃ／ＯＳ的另一個很重要的原

因【ｌｊ。

２ ／Ｏ８內核運行的機制

簡單地講， Ｃ／Ｃ６內核運行機制的基本思路是：近似

地讓最高優先級的就緒任務處于運行狀態。下面就詳細

談談其工作的實現機制。

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?８６? 計算機技術與發展 第１６卷

２．１任務控制塊基本結構

Ｓｔｒｕｃｔ Ｏｓ—ＴＣＢ｛

Ｏｓ—ＳＴＫ＊ ｓｔｋＰ廿；／／一個指向當前任務棧頂的指

針；

ｓｔｒｕｃｔ ｏｓ—ｔｃｂ＊Ｃ￣＇Ｉ＇ＣＢＮｅｘｔ：

ｓｔｒｕｃｔ ｏｓ—ｔｃｂ＊ＯＳＴｌ２Ｂｐｒｅｖ；／／ｃ￣＇ｒＣＢＮｅｘｔ和（￣＂ｒＣＢＰｒｅｖ

用于任務控制塊的雙重鏈接；

ＩＮＴ１６Ｕ ＯＳＴＣＢＩ）Ｉｙ；／／用于任務延時或超時限制，每中斷

一次減一，為０表示任務準備就緒；

ＩＮＴ８Ｕ（￣＂ｒｃＢＳｔａｔ；／／任務的狀態字，０表示就緒態；

ＩＮＴ８Ｕ ?。茫拢?ｏ；／／任務的優先級，值越小，優先級越高。

ＩＮＴ８Ｕ ＯＳＴＣＢＸ，ＯＳＴＣＢＹ，（￣＇ＴＣＢＢｉｔＸ，ＯＳＴＣＢＢｉｔＹ；／／用

于加速任務進入就緒態的過程或進入等待事件發生狀態的過

程。

ｌ［２］

從上述結構可以看到，每一個任務都建立相應的任務

控制塊０Ｓ—ＴＣＢ（ ｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｌｏｃｋ），任務控制塊的開

頭，即ＯＳ—ＴＣＢ的０偏址內存單元中存放任務堆棧指針

０ｓ１ ＳｔｋＰｔｒ，指向任務堆棧；通過雙向鏈表ＣＮＩＬ￣Ｎｅｘｔ

和０ Ｐｒｅｖ將不同的任務控制塊０ｓ—ＴＣＢ連起來，任

務控制塊還包括任務延時、狀態、優先級等信息。

系統初始化時，將根據任務的多少來建立任務控制塊

鏈表。任務創建函數分配的一塊內存，建立任務堆棧，用

來保存寄存器的值和該任務的代碼地址；再把堆棧的地址

存人任務控制塊，從而把任務程序代碼、任務堆棧和任務

控制塊聯系在一起。操作系統內核可以通過任務控制塊

找到任務堆棧，從堆棧中取得任務代碼＿３ Ｊ。

２．２任務管理的實現

任務管理主要是通過對任務控制塊（ＴＣＢ）的管理來

實現的。當一個任務建立時，Ｉ￣Ｃ／ＯＳ系統為其所對應的

ＯＳ—ＴＣＢ賦值；當任務的ＣＰＵ使用權被剝奪時，系統用

ＯＳ—ＴＣＢ來保存該任務的狀態；當任務重新得到ＣＰＵ使

用權時，系統就可通過任務控制塊來使任務從被中斷處繼

續執行下去。

每個任務都被分配一個任務控制塊ＴＣＢ，按照任務

優先級的次序將各個任務ＴＣＢ的指針放人任務優先級表

數組中，這樣通過該數組就可訪問各個任務。

同時有一個ＴＣＢ指針ａ汀 ｌｃ１ ｒ指向當前任務的

ＴＣＢ，另有一個ＴＣＢ指針Ｏ￣ＨｉｇｈＲｄｙ指向具有更高

優先級的并且將要執行任務的ＴＣＢ，如果兩者任務優先

級不等說明要進行任務切換，完成了任務切換后，ＣＰＵ就

開始運行更高優先級任務。

２．３任務啟動過程

使就緒狀態的任務開始運行的函數叫做ｏｇｇｔ￣ｔ（）。

在調用ＯＳＳｔａｒｔ（）之前，必須至少已經建立了自己的一個

任務。前面談到過，由于操作系統是按照“比較任務優先

級，找到高優先級任務，然后再使之運行”的思路來啟動任

務的，所以就有了任務就緒表和優先級判定表。就緒表中

有兩個變量（ＯＳＲｄｙＧｒｐ和ＯＳＲｄｙＴｂｌ［］）用來存放每個任

務的就緒標志，通過分組與優先級表中的項實現一一對

應，進而確定進入就緒態的優先級最高的任務。任務啟動

過程如圖１所示。

是

開 始

內核是否啟動

利用０ＳＵｎＭａｐＴｂｌ表找到準備

就緒任務中最高優先級

根據任務優先級表找到該任務

調用函數ＯｓｓｔａｒｔＨｉｇｈＲｄｙ（）

讓優先最高的任務運行起來

結 束

圖ｌ￣ｔａｒｔ（）的流程

２．４任務切換原理

任務切換指保存當前任務的上下文，并恢復需要執行

任務的上下文的過程。當發生任務切換時，當前正在運行

的任務的上下文就需要通過該任務的任務控制塊保存起

來，并把需要投入運行的任務的上下文從對應的任務控制

塊中恢復出來＿４ Ｊ。

任務的切換有兩種情況：一種是任務級切換，另一種

是中斷級切換。

所謂任務級切換，即當前任務運行完畢，下一個準備

就緒的最高級優先任務進行任務切換。

１）任務級切換的大致流程如下：

◇當前任務完成；

Ｏ￣ｈｅｄ（）任務調度，選出高優先級就緒任務；

◇０Ｓ—Ｔａｓｋ—Ｓｗ（）任務切換；

◇運行高優先級任務。

其中ＯＳ—Ｔａｓｋ—Ｓｗ（）的工作過程比較簡單：

（１）保存寄存器值人當前任務堆棧；

（２）修改當前任務控制塊指針ＯＳ＇ＩＬ－＇ＢＧａｒ和當前任務

優先級ＯＳＰｒｏＣｕｒ，指向就緒任務；

（３）恢復就緒任務堆棧中的值到寄存器中，完成切換。

而ＣｔＳＳｃｈｅｄ（）用于任務調度，其流程如圖２所示＿５＿５。

２）中斷級切換，即是在中斷程序處理事務過程中，可

能有一些任務運行就緒，重新整理和搜索任務就緒表，找

到最高優先級任務進行切換。

中斷級切換的大致流程： ’

◇調用函數ＯＳＴｉｃｋｌＳＲ（），完成中斷入口工作；

◇調用ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）選出高優先級就緒任務；

◇利用ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）完成任務切換；

◇運行高優先級任務。

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第８期 石世光等：嵌入式操作系統ｖｃ／ｃ￣ｓ的運行機制 ?８７?

否

圖２ ０ＳＳｃｈｅｄ（）函數流程

對于定時中斷函數ＯＳＴｉｃｋＩＳＲ（），它主要負責中斷進

入時保存處理器寄存器內容，完成任務切換退出時恢復處

理器寄存器內容并返回，相當于中斷服務程序的入口。

中斷級的上下文切換是ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）通過調用ＯＳ—

ＩｎｔＣｔｘＳｗ（）來執行切換功能。下面重點談談ＯＳＩｎｔＥｘｉｔ（）

函數過程。與任務級切換不同的是中斷級切換時，中斷返

回函數將決定是返回到被中斷的任務，還是讓優先級最高

任務運行。其流程如圖３所示。

３結束語

以上是一些經驗與體會，筆者曾在研制電力諧波檢測

儀的項目中，根據嵌入式操作系練／￣Ｃ／ＯＳ的內核運行機

制原理，在ＴＩ ＥＸＳＰ Ｆ２４０７芯片上移植取得很好的效果。

現在網站上有很多關于各種類型芯片的移植程序，但不僅

要知其然，更要知其所以然，才能做到舉一反三、靈活運

用，所以有必要掌握 Ｃ／０Ｓ內核的運行基本原理，從而能

深入理解移植程序，達到了解嵌入式操作系統原理的目

的，為從事各種嵌入式操作系統的研究打下堅實的基礎。

保存ＣＰＵ各寄存器

調用ＯＳｌｍｔＥｎｔｅｒ０函數或中斷嵌套計數器

直接使ＯＳｌｎｔＮｅｓｔｉｎｇ加ｌ，記錄嵌套層敦

執行中斷服務程序

嵌套層披減一

嵌套層數是否為０

—、

＿

—，

是否有高優先級

任務就緒

＼／

是

否

返回斷

點處

返回斷

點處

圖３中斷返回函數流程

參考文獻：

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（上接第８４頁）

３小結

決策樹的建立可以使數據規則可視化，結構清晰，所

以在對知識的分類中常常用決策樹表示。利用典型ＩＤ３

算法構造決策樹，按照信息增益最大的原則，相對抽象，計

算繁瑣；利用粗集近似精度選擇根結點時計算簡單，而且

分類可以使決策樹和粗集更容易理解。

參考文獻：

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