1.微内核
与Linux的首要区别是,它是一个微内核,内核所实现的功能非常简单,主要包括:
- 一些通用函数,如TaskCreate(),OSMutexPend(),OSQPost()等。
- 中断处理函数,且处理函数非常简单,一般仅是向相应的Task发消息,唤醒该Task来处理中断任务。
- 一个高效的调度器,这是OS的灵魂,实现多任务间的调度(包括调度点、调度算法、任务切换等)。
好像就这么点,呵呵。它不支持内存保护,即不像Linux那样分用户空间、内核空间。如一个Task运行时,可调用内核函数TaskCreate()创建另一个Task。
另外像一般操作系统中的内核模块(如设备驱动、网络、文件系统等)都是在Task中完成。如专门有个网络任务Net_Task,负责处理网络相关的内容,当其他Task需要向网络发数据时,就发消息给该Net_Task,当网卡接收到数据时,产生中断,中断程序一般也是发消息给该Net_Task,从而该任务被唤醒来处理。
而Linux中呢,这些module都被写在内核中,同时提供系统调用接口给用户层,用户层的多任务共享这些代码,就仿佛自身Task拥有这些功能(向内核借用功能)。其实说到底,原理是差不多的,都是去借用功能,但不同的设计策略,带来的是完全不同的代码结构、应用开发等。
uC/OS这种内核一般适于简单的嵌入式系统。
2.实时调度器
这是uC/OS的核心所在,如前所述,系统所有功能都是在多个Task中完成的,而多Task之外的代码仅是一些非常简单的中断处理函数。那么task调度就至关重要,必须分清楚轻重缓急的任务,确定某时刻应该执行哪个task。也就是说,不能寄希望于内核、中断程序会完成重要的工作,那是Linux。
因此uC/OS设计了实时调度器。不同于Linux中的基于时间片轮转的调度方法,uC/OS采用的是基于优先级的调度方法。其实也很简单,就是给每个task设定一个唯一的priority(现在的内核也支持多个相同优先级任务了),且每个task维护自己的状态(可运行,挂起等)。当task或者中断处理程序执行到调度点时(Linux中,中断处理程序也属于某个task的一部分,只不过是内核态而已,回忆回忆,呵呵,而uC/OS中他们是完全不同的执行体),查找所有可运行状态的task,选择priority最高的task执行,所以一般时间要求性高的任务,优先级会比较高。当然,在运行中可以动态改变优先级(都是在task体中完成的啊)。
调度点在哪呢?TaskCreate(),OSMutexPend(),OSQPost()这些函数都是哈,它们一般会修改相应task的状态(或唤醒、或挂起等等),然后开始调度。一个原则是系统任意时刻,要么运行在中断程序中,要么运行在priority最高的task体中,所以任何task的状态改变、或priority改变之后,都要进行调度。
调度函数虽然是内核提供的函数,但却可以由用户task不加保护地调用,这也是和Linux的区别。
3.开发
开发非常简单,基本不存在内核开发,因为功能都是task中做得嘛。Uc/OS的内核代码很少,也非常简单,主要包括Ucos_os、Ucos_cpu两部分,作移植只要修改后一部分即可。它们提供了通用的内核函数,调度器,以及几个task的执行体等。
系统启动时,和Linux差不多,是一个串行流程,执行一些初始化(如设置中断、分配一些全局变量等),然后调用TaskCreate()创建几个系统task(仅是因为它们是系统自动创建的,功能也比较特别,运行后与其他task是一样的哈),然后再创建一个MainTask,该task的执行体为函数main(),这是用户开发的起点。最后调用OSStart()启动多任务系统,首先选择一个优先级最高的可运行态任务运行,这以后就是多task、中断程序相互纠缠、配合运行了。
再回过头来看OS,其实它的执行流(我想不出什么好词)和一般的无os的前后台程序是一样的。怎么讲?比如我用uc/os设计一个3任务的系统,各个task间相互发消息(或通过中断)来切换。那么如果用前后台程序来设计,程序的主体有3段,每段中有很多goto语句来跳转到另一段。哈哈!如果你够牛逼,你可以绞尽脑汁来设计好这其中的跳转方法,那么你的程序里没有额外的系统开销,效率还可能高一些。但这显然没有用os开发来得方便,这也许就是os最初诞生的原因吧。