【FPGA黑金开发板】NIOSII那些事儿-UC/OS（二十四）

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这一章，我们简单研究一下基于NIOS II的uC/OS系统的开发过程。实验中有三个任务：第一个任务用于实时时钟DS1302驱动，第二个任务用于LED灯闪烁；第三个任务用于数码管显示654321；最终通过把数据通过PC机串口显示出来，有兴趣的可自行把开发板上的其它功能添上。

1、uC/OSII简介

u C / O S 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。

μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美国嵌入式系统专家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系统编程》杂志的5 月和6 月刊上刊登的文章连载，并把μC/OS 的源码发布在该杂志的B B S 上。

μC/OS 和μC/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用设计的， 绝大部分代码是用C语言编写的。CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上。用户只要有标准的ANSI 的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌人到开发的产品中。μC/OS-II 具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点， 最小内核可编译至 2KB 。μC/OS-II 已经移植到了几乎所有知名的CPU 上。

严格地说uC/OS-II只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务调度，任务管理，时间管理，内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理，文件系统，网络等额外的服务。但由于uC/OS-II良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现。

uC/OS-II目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个内核之上提供最基本的系统服务，如信号量，邮箱，消息队列，内存管理，中断管理等。

1.1任务管理

uC/OS-II 中最多可以支持64 个任务，分别对应优先级0～63，其中0 为最高优先级。63为最低级，系统保留了4个最高优先级的任务和4个最低优先级的任务，所有用户可以使用的任务数有56个。

uC/OS-II提供了任务管理的各种函数调用，包括创建任务，删除任务，改变任务的优先级，任务挂起和恢复等。

系统初始化时会自动产生两个任务：一个是空闲任务，它的优先级最低，该任务仅给一个整形变量做累加运算；另一个是系统任务，它的优先级为次低，该任务负责统计当前cpu的利用率。

1.2 时间管理

uC/OS-II的时间管理是通过定时中断来实现的，该定时中断一般为10毫秒或100毫秒发生一次，时间频率取决于用户对硬件系统的定时器编程来实现。中断发生的时间间隔是固定不变的，该中断也成为一个时钟节拍。

uC/OS-II要求用户在定时中断的服务程序中，调用系统提供的与时钟节拍相关的系统函数，例如中断级的任务切换函数，系统时间函数。

1.3 内存管理

在ANSI C中是使用malloc和free两个函数来动态分配和释放内存。但在嵌入式实时系统中，多次这样的操作会导致内存碎片，且由于内存管理算法的原因，malloc和free的执行时间也是不确定。

uC/OS-II中把连续的大块内存按分区管理。每个分区中包含整数个大小相同的内存块，但不同分区之间的内存快大小可以不同。用户需要动态分配内存时，系统选择一个适当的分区，按块来分配内存。释放内存时将该块放回它以前所属的分区，这样能有效解决碎片问题，同时执行时间也是固定的。

1.4 任务间通信与同步

对一个多任务的操作系统来说，任务间的通信和同步是必不可少的。uC/OS-II中提供了4中同步对象，分别是信号量，邮箱，消息队列和事件。所有这些同步对象都有创建，等待，发送，查询的接口用于实现进程间的通信和同步。

1.5 任务调度

uC/OS-II 采用的是可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。

uC/os-II的任务调度是完全基于任务优先级的抢占式调度，也就是最高优先级的任务一旦处于就绪状态，则立即抢占正在运行的低优先级任务的处理器资源。为了简化系统设计，uC/OS-II规定所有任务的优先级不同，因为任务的优先级也同时唯一标志了该任务本身。

uC/OS-II详细用法可参考相关资料。

2、FPGA下的uC/OS-II

下面就介绍怎样在以黑金开发板EP2C208上进行uC/OSII实验。

第一步：添加一个用于系统时钟节拍的定时器timer_ucos，定时时间为100ms（根据任务定）。

第二步：在Nios下设置相关选项。请看下面操作步骤。

打开Quart II工程，以黑金开发板EP2C208的工程为例，进入SOPC Builder界面下如图：

在左侧的“System Contents”下单击Peripherais的左侧“”；在弹出的菜单下单击Microcotroller Peripherais的左侧“”；如下图。

找到 “Interval Timer”并双击，弹出如下图并按下图进行相关设置，单击完成。

命名为timer_ucos；如下图。

时钟节拍定时器到此已添加完成，单击Generate按钮生成SOPC系统。

接下来对Quart II工程进行编译并把 “.pof”通过AS接口下接到EPCS中。至此Quart II工程工作完毕.。

拉下来对Nios工程进行设置。如果没有关闭SOPC界面，可点击“System Generation”下的Nios ii IDE按钮即可进行Nios工程，前提是安装了Nios ii 软件。

新建一个Nios II工程，单击“File”菜单下“New”下的“Nios II C/C++ Application”如下图。

进入后出现如下图，并按图中参数设置（注ucosII为工程名，ep2c8q为SOPC系统，Micro uC/OS-II tutorial为uCOS-II模板）。

单击Next按钮后按下图设置后单击Finish。

接下来对工程进行基本的设置，右击uCOSII选择弹出菜单中的“System Library Properties”出现如下界面并按照如下参数设置。然后单击OK。

把ucosii_tutorial.c中文件内容用下面代码代替。

001

/*

002	* =====================================================================================

003

*

004	*       Filename:  ds1302.c

005

*

006	*    Description:  DS1302驱动

007

*

008	*        Version:  1.0.0

009	*        Created:  2010.4.16

010	*       Revision:  none

011	*       Compiler:  Nios II 9.0 IDE

012

*

013	*         Author:  马瑞 (AVIC)

014	*          Email:  [e-mail]

015

*

016	* =====================================================================================

017

*/

018

019

#include

020

#include

021

#include

022	#include "includes.h"

023	#include "alt_ucosii_simple_error_check.h"

024	#include"ds1302.h"

025	#include "altera_avalon_pio_regs.h"

026	#include "altera_avalon_timer_regs.h"

027	#include "alt_types.h"

028	#include "sys/alt_irq.h"

029

//定义椎栈

030	#define   TASK_STACKSIZE     2048

031	OS_STK    initialize_task_stk[TASK_STACKSIZE];

032	OS_STK    ds1302_task_stk[TASK_STACKSIZE];

033	OS_STK    led_task_stk[TASK_STACKSIZE];

034	OS_STK    seg_task_stk[TASK_STACKSIZE];

035

//定义优先级

036	#define INITIALIZE_TASK_PRIORITY   6

037	#define LED_TASK_PRIORITY    10

038	#define DS1302_TASK_PRIORITY    11

039	#define SEG_TASK_PRIORITY    12

040	//格式为: 秒 分 时 日 月 星期 年

041	unsigned char time[7] = {0x00,0x19,0x14,0x17,0x03,0x17,0x10};

042	unsigned char ti[][7]={"一","二","三","四","五","六","日"};

043	alt_u8 segtab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};

044	unsigned char bittab[6]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};

045	unsigned char led_buffer[8]={1,2,3,4,5,6,7,8};

046	static unsigned char cnt=0;

047	void seg_handler(void);

048

049

/*

050	* ===  FUNCTION  ======================================================================

051	*         Name:  ds1302_task

052	*  Description:  任务1 调用ds1302驱动并通过串口显示数据

053	* =====================================================================================

054

*/

055	void ds1302_task(void* pdata)

056

{

057	INT8U return_code = OS_NO_ERR;

058	ds1302.set_time(time);

059	printf("Hello from Nios II!\n");

060

061

while(1){

062	printf("Hello from Nios II!\r\n");

063	ds1302.get_time(time);

064	printf("%02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d 星期%s\r\n",

065	time[6],time[4],time[3],time[2],time[1],time[0],ti[time[5]-1]);

066

067	OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0);

068

}

069

070

}

071

/*

072	* ===  FUNCTION  ======================================================================

073	*         Name:  led_task

074	*  Description:  任务2 调用LED驱动并通过串口显示数据

075	* =====================================================================================

076

*/

077	void led_task(void* pdata)

078

{

079	INT8U return_code = OS_NO_ERR;

080	unsigned int num=0;

081	LED->DATA =0xffffffff;

082

083	while (1){

084	printf("led is running!\r\n");

085

086	if(num%2==0)

087	LED->DATA =0xffffffff;

088	else LED->DATA =0;

089

num++;

090

091	OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0);

092

}

093

}

094

/*

095	* ===  FUNCTION  ======================================================================

096	*         Name:  seg_task

097	*  Description:  任务3 调用数码管驱动并通过串口显示数据

098	* =====================================================================================

099

*/

100	void seg_task(void* pdata)

101

{

102	INT8U return_code = OS_NO_ERR;

103	unsigned int numseg=0;

104

105	while (1){

106

numseg++;

107	seg_handler();

108	OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 300);

109

}

110

}

111

/*

112	* ===  FUNCTION  ======================================================================

113	*         Name:  seg_handler

114	*  Description:

115	* =====================================================================================

116

*/

117	void seg_handler(void)

118

{

119	IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEG_SEL_BASE, 0xff);

120	IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEG_SEL_BASE, bittab[cnt]);

121

122	IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEG_DAT_BASE, segtab[led_buffer[cnt]]);

123

124

cnt++;

125	if(cnt==6)

126

cnt=0;

127

}

128

/*

129	* ===  FUNCTION  ======================================================================

130	*         Name:  main

131	*  Description:

132	* =====================================================================================

133

*/

134	void  initialize_task(void* pdata)

135

{

136	INT8U return_code = OS_NO_ERR;

137	initCreateTasks();

138

139	return_code = OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);

140	while (1);

141

}

142

143

/*

144	* ===  FUNCTION  ======================================================================

145	*         Name:  main

146	*  Description:

147	* =====================================================================================

148

*/

149	int main (int argc, char* argv[], char* envp[])

150

{

151	INT8U return_code = OS_NO_ERR;

152

153	return_code = OSTaskCreateExt(initialize_task,

154

NULL,

155	(void *)&initialize_task_stk[TASK_STACKSIZE],

156	INITIALIZE_TASK_PRIORITY,

157	INITIALIZE_TASK_PRIORITY,

158	initialize_task_stk,

159	TASK_STACKSIZE,

160

NULL,

161

0);

162	OSStart();

163

return 0;

164

}

165

166

/*

167	* ===  FUNCTION  ======================================================================

168	*         Name:  initCreateTasks

169	*  Description:

170	* =====================================================================================

171

*/

172	int initCreateTasks(void)

173

{

174	INT8U return_code = OS_NO_ERR;

175	return_code = OSTaskCreateExt(ds1302_task,

176

NULL,

177	(void *)&ds1302_task_stk[TASK_STACKSIZE],

178	DS1302_TASK_PRIORITY,

179	DS1302_TASK_PRIORITY,

180	ds1302_task_stk,

181	TASK_STACKSIZE,

182

NULL,

183

0);

184	return_code = OSTaskCreateExt(led_task,

185

NULL,

186	(void *)&led_task_stk[TASK_STACKSIZE],

187	LED_TASK_PRIORITY,

188	LED_TASK_PRIORITY,

189	led_task_stk,

190	TASK_STACKSIZE,

191

NULL,

192

0);

193	return_code = OSTaskCreateExt(seg_task,

194

NULL,

195	(void *)&seg_task_stk[TASK_STACKSIZE],

196	SEG_TASK_PRIORITY,

197	SEG_TASK_PRIORITY,

198	seg_task_stk,

199	TASK_STACKSIZE,

200

NULL,

201

0);

202

return 0;

203

}

编译Nios II工程，下载到EPCS中，下载的方法前面章节讲过，这里就不再重复了。下面是PC机上串口调试工具上的数据。在开发板上还可以看到四个LED灯在闪烁和数码管显示654321。