【连载】【FPGA黑金开发板】NIOSII那些事儿—UC/OS实验（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。

/*
 * =====================================================================================
 *
 *       Filename:  ds1302.c
 *
 *    Description:  DS1302驱动
 *
 *        Version:  1.0.0
 *        Created:  2010.4.16
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  Nios II 9.0 IDE
 *
 *         Author:  马瑞 (AVIC)
 *          Email:  avic633@gmail.com  
 *
 * =====================================================================================
 */

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include "includes.h"
#include "alt_ucosii_simple_error_check.h"
#include"ds1302.h"
#include "altera_avalon_pio_regs.h"
#include "altera_avalon_timer_regs.h"
#include "alt_types.h"
#include "sys/alt_irq.h"
//定义椎栈
#define   TASK_STACKSIZE     2048
OS_STK    initialize_task_stk[TASK_STACKSIZE];
OS_STK    ds1302_task_stk[TASK_STACKSIZE];
OS_STK    led_task_stk[TASK_STACKSIZE];
OS_STK    seg_task_stk[TASK_STACKSIZE];
//定义优先级
#define INITIALIZE_TASK_PRIORITY   6
#define LED_TASK_PRIORITY    10
#define DS1302_TASK_PRIORITY    11
#define SEG_TASK_PRIORITY    12
//格式为: 秒 分 时 日 月 星期 年
unsigned char time[7] = {0x00,0x19,0x14,0x17,0x03,0x17,0x10};
unsigned char ti[][7]={"一","二","三","四","五","六","日"}; 
alt_u8 segtab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
unsigned char bittab[6]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf};
unsigned char led_buffer[8]={1,2,3,4,5,6,7,8};
static unsigned char cnt=0; 
void seg_handler(void);

/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  ds1302_task
 *  Description:  任务1 调用ds1302驱动并通过串口显示数据  
 * =====================================================================================
 */  
void ds1302_task(void* pdata)
{
    INT8U return_code = OS_NO_ERR;
    ds1302.set_time(time); 
    printf("Hello from Nios II!\n");
    
    while(1){
        printf("Hello from Nios II!\r\n");
        ds1302.get_time(time);   
        printf("%02d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d 星期%s\r\n",
        time[6],time[4],time[3],time[2],time[1],time[0],ti[time[5]-1]);
        
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 1, 0);
    }
    
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  led_task
 *  Description:  任务2 调用LED驱动并通过串口显示数据 
 * =====================================================================================
 */  
void led_task(void* pdata)
{
    INT8U return_code = OS_NO_ERR;  
    unsigned int num=0;
    LED->DATA =0xffffffff;
  
    while (1){   
        printf("led is running!\r\n");  
        
        if(num%2==0)
          LED->DATA =0xffffffff;
        else LED->DATA =0;
        num++;
    
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 2, 0);
    }
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  seg_task
 *  Description:  任务3 调用数码管驱动并通过串口显示数据 
 * =====================================================================================
 */  
void seg_task(void* pdata)
{
    INT8U return_code = OS_NO_ERR;  
    unsigned int numseg=0;
    
    while (1){   
        numseg++;  
        seg_handler();
        OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 300);
    }
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  seg_handler
 *  Description:   
 * =====================================================================================
 */  
 void seg_handler(void)
{
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEG_SEL_BASE, 0xff);
    IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(SEG_SEL_BASE, bittab[cnt]);

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

    cnt++;
    if(cnt==6)
        cnt=0;   
}
/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  main
 *  Description:   
 * =====================================================================================
 */  
void  initialize_task(void* pdata)
{
    INT8U return_code = OS_NO_ERR;  
    initCreateTasks();
  
    return_code = OSTaskDel(OS_PRIO_SELF);
    while (1);
}

/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  main
 *  Description:   
 * =====================================================================================
 */  
int main (int argc, char* argv[], char* envp[])
{
    INT8U return_code = OS_NO_ERR;
   
    return_code = OSTaskCreateExt(initialize_task,
                             NULL,
                             (void *)&initialize_task_stk[TASK_STACKSIZE],
                             INITIALIZE_TASK_PRIORITY,
                             INITIALIZE_TASK_PRIORITY,
                             initialize_task_stk,
                             TASK_STACKSIZE,
                             NULL,
                 0);
    OSStart();
    return 0;
}

/* 
 * ===  FUNCTION  ======================================================================
 *         Name:  initCreateTasks
 *  Description:   
 * =====================================================================================
 */  
int initCreateTasks(void)
{
    INT8U return_code = OS_NO_ERR;
    return_code = OSTaskCreateExt(ds1302_task,
                             NULL,
                             (void *)&ds1302_task_stk[TASK_STACKSIZE],
                             DS1302_TASK_PRIORITY,
                             DS1302_TASK_PRIORITY,
                             ds1302_task_stk,
                             TASK_STACKSIZE,
                             NULL,
                             0);
    return_code = OSTaskCreateExt(led_task,
                             NULL,
                             (void *)&led_task_stk[TASK_STACKSIZE],
                             LED_TASK_PRIORITY,
                             LED_TASK_PRIORITY,
                             led_task_stk,
                             TASK_STACKSIZE,
                             NULL,
                             0);
    return_code = OSTaskCreateExt(seg_task,
                             NULL,
                             (void *)&seg_task_stk[TASK_STACKSIZE],
                             SEG_TASK_PRIORITY,
                             SEG_TASK_PRIORITY,
                             seg_task_stk,
                             TASK_STACKSIZE,
                             NULL,
                             0);
    return 0;
}

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。