• 【连载】【FPGA黑金开发板】NIOSII那些事儿—UC/OS实验（二十四）

  • 2010-09-09 09:55 发表      系统分类：EDA      自定义分类：NIOSII那些事儿
  • 标签：UCOS实验

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:  avic633@gmail.com 
015  *
016  * =====================================================================================
017  */
018  
019 #include <stdio.h>
020 #include <unistd.h>
021 #include <string.h>
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。

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