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第十六章创建第一个uC/OSII系统
从本章开始，将带领大家进入RTOS（Real Time Operating System，实时多任务操作系统）
的世界，关于RTOS类操作系统有很多，本教程选取的是非常有名的uCOS操作系统（Nios中写作
MicroC/OS-II）。本章包括以下几个部分：
16.1 uCOS简介
16.2 实验任务
16.3 硬件设计
16.4 软件设计
16.5 下载验证
uCOS简介
在正式介绍uCOS系统之前，我们先来了解一下前后台系统和RTOS系统。
早期嵌入式开发没有嵌入式操作系统的概念 ，直接操作裸机，在裸机上写程序，比如用
51单片机基本就没有操作系统的概念。通常把程序分为两部分：前台系统和后台系统。
简单的小系统通常是前后台系统，这样的程序包括一个死循环和若干个中断服务程序。应
用程序是一个无限循环，循环中调用API函数完成所需的操作，这个大循环就叫做后台系统。
中断服务程序用于处理系统的异步事件，也就是前台系统。前台是中断级，后台是任务级。前
后台系统流程图如下图所示：
图 16.1.1 前后台系统流程图
由上图可知，程序按照任务的顺序开始执行。当中断来临时，会打断当前程序的执行，然
后执行中断函数，中断函数执行完成后，才会继续执行被打断的任务；同样的，中断函数也会
被更高级别的中断打断，更高级别的中断函数执行完成后，才会继续执行被打断的中断函数。
其中，任务的无线循环称为后台系统，而中断服务程序称为前台系统。
在介绍完前后台系统之后，接下来再来熟悉下RTOS，即实时操作系统。
RTOS全称为：Real Time Operating System，即实时操作系统。顾名思义，实时操作系统
强调的是实时性。实时系统又分为硬实时和软实时，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，
硬实时系统不允许超时，而对于软实时系统里面，超时的后果就没有那么严格。
在实时操作系统中，我们可以把要实现的功能划分为多个任务，每个任务负责实现其中的
一部分，每个任务都是一个很简单的程序，通常是一个死循环。
RTOS的内核负责管理所有的任务，内核决定了运行哪个任务，何时停止当前任务切换到其
他任务，这个是内核的多任务管理能力。多任务管理给人的感觉就好像芯片有多个CPU，多任
务管理实现了CPU资源的最大化利用，有助于实现程序的模块化开发，能够实现复杂的实时应
用。RTOS的流程图如下图所示：
图 16.1.2 RTOS系统流程图
由上图可知，RTOS系统每个任务都是一个无限循环，高优先级的任务可以打断低优先级的
任务，而中断服务程序拥有最高级别的优先级，系统总是在运行优先级最高的那个任务。
这里要注意，RTOS不是指某一个确定的系统，而是指一类系统。比如uCOS、FreeRTOS、RTX、
RT-Thread等这些都是RTOS类操作系统。本章我们学习的是RTOS中的经典代表作：uCOS，而uCOS
的内核是可剥夺型的，即允许剥夺其他任务的CPU使用权，它总是运行就绪任务中的优先级最
高的那个任务。RTOS操作系统的核心内容在于实时内核。
接下来我们开始熟悉下uCos系统。
uCOS是Micrium公司出品的RTOS类实时操作系统，uCOS目前有两个版本：uCOSII和uCOSIII。
uCOSII是用C和汇编来写的，其中绝大部分都是用C语言编写的，只有极少数的与处理器密切相
关的部分代码才是用汇编写的，uCOSII结构简洁，可读性很强！最主要的是非常适合初次接触
嵌入式实时操作系统学生、嵌入式系统开发人员和爱好者学习。
uCOSII作为RTOS提供的服务有：多线程任务（Tasks）、事件标志组（Event flags）、消
息传递（Message passing）、内存管理（Memory management）、信号量（Semaphores）、时
间管理（Time management）等。操作系统允许多个任务同时运行，这个叫做多任务，实际上，
一个处理器核心在某一时刻只能运行一个任务。操作系统中任务调度器的责任就是决定在某一
时刻究竟运行哪个任务，任务调度在各个任务之间的切换非常快！这就给人们造成了同一时刻
有多个任务同时运行的错觉。
操作系统的分类方式可以由任务调度器的工作方式决定，比如有的操作系统给每个任务分
配同样的运行时间，时间到了就轮到下一个任务，Unix操作系统就是这样的。RTOS的任务调度
器被设计为可预测的，而这正是嵌入式实时操作系统所需要的，实时环境中要求操作系统必须
对某一个事件做出实时的响应，因此系统任务调度器的行为必须是可预测的。像uCOS，FreeRTOS
这种传统的RTOS类操作系统是由用户给每个任务分配一个任务优先级，任务调度器就可以根据
此优先级来决定下一刻应该运行哪个任务。
需要注意的是：uCOS是要收费的，学习RTOS系统的话uCOS是首选，但是做产品的话就要考
虑一下成本了。显而易见的，FreeRTOS在这个时候就是一个很好的选择，当然了也可以选择其
他的免费的RTOS系统。
Altera公司把uCOSII系统当做HAL（硬件抽象层）的一个扩展，移植到Nios II处理器上。
因此，在Nios II处理器使用uCOSII系统时，不需要繁琐的移植工作，只需要创建uCOSII系统
的模板就可以了。同时，选择uCOSII实时系统，具有以下好处：
1. uCOSII的资料很多，尤其是中文资料；
2. 该系统源代码开放、整洁、一致，注释详尽，适合系统开发；
3. 高可移植性，代码主要C语言编写；
4. uCOSII是一个基于优先级的实时操作系统，实时性比较好；
5. 适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片（已经移植到超过100种以上的微处理
器应用中）。
目前最新的uCOS版本是uCOSIII，但是现在使用最为广泛的还是uCOSII，本章我们主要针
对uCOSII进行介绍。uCOSII是一个可以基于ROM运行的、可裁减的、抢占式、实时多任务内核，
具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器，是和很多商业操作系统性能相当的实时操
作系统(RTOS)。实时操作系统指的是能快速地处理外界的事件或数据，并能依据处理的结果在
规定的时间范围内做出快速响应，调动资源协调一致地完成实时任务的系统。为了提供最好的
移植性能，uCOSII最大程度地使用ANSI C语言进行开发，并且已经移植到近40多种处理器体系上，涵盖了从8位到64位各种CPU(包括DSP)。
uCOSII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 C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工
具，就可以将uCOSII嵌人到开发的产品中。uCOSII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 。uCOSII已经移植到了几乎所有知名的CPU上。
uCOSII构思巧妙、结构简洁精练、可读性强，又具备了实时操作系统的全部功能，非常适
合初次接触嵌入式实时操作系统的朋友，可以说是麻雀虽小，五脏俱全。uCOSII体系结构如图
16.1.3所示：
图 16.1.3 uCOSII体系结构图
（1） Application Software：这部分为用户的应用程序，即使用uCOSII完成的应用层代码。
（2） Processor-Independent Code：这部分是uCOSII的核心源码，它们是与处理器无关的
代码，都是由高度可移植的ANSI C编写的。
（3） Application-Specific：这部分是系统配置文件，用来配置所需的系统功能，比如需要
用到的uCOSII的模块、时钟频率等等。
（4） Processor-Specific Code：这部分的文件可以根据不同的CPU架构去做修改，也就是移
植的过程。不过在Nios里面，不需要修改这些文件。
想要在类似于ARM等其他的微处理器上搭建、移植uCOSII系统，过程是比较繁琐的。但在
Nios中搭建uCOSII系统却是非常简单的。这是因为Altera把uCOSII系统当做HAL的的一个扩展，
移植到Nios II处理器上。在实际使用中，我们不需要修改文件以及配置操作，只需要使用
Eclipse 软件就能够轻松搭建uCOSII系统。
在Quartus II 13.1软件中，Nios使用的uCOSII版本是v2.86。Nios II处理器的uCOSII结
构如下图所示：
图 16.1.4 Nios中的uCOS架构
硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或
板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系
统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬
件设备的配置功能。图中的API，也就是应用程序编程接口（Application Programming
Interface），可以帮助应用程序达到开启视窗、描绘图形、使用周边设备的目的。
uCOSII内核（kernel）运行于硬件抽象层（HAL）的上层，而这个硬件抽象层是Nios II处
理器的板级支持包（BSP）。由于这种结构，在Nios II处理器上开发uCOSII系统，具有以下优
势：
?
程序可在Nios II硬件系统间进行移植
?
程序不用顾虑底层硬件的变化
?
程序能够连接所有的硬件抽象层服务，调用UNIX类硬件抽象层的应用程序编程接口
（API）
?
较易实现中断（ISR）
uCOSII早期版本只支持64个任务，但是从v2.80版本开始，支持任务数提高到255个。不过
一般很难用到这么多个任务，uCOSII保留了最高4个优先级和最低4个优先级用于拓展使用，总
共8个任务。但实际上，uCOSII一般只占用了最低2个优先级，分别用于空闲任务（倒数第一）
和统计任务（倒数第二），所以剩下给我们使用的任务最多可达255-2=253个（V2.92）。
所谓的任务，其实就是一个死循环函数，该函数实现一定的功能，一个工程可以有很多这
样的任务（最多255个）。uCOSII对这些任务进行调度管理，让这些任务可以并发工作（注意
不是同时工作，并发只是各任务轮流占用CPU，而不是同时占用，任何时候还是只有1个任务能
够占用。uCOSII的任何任务都是通过一个叫任务控制块（TCB）的东西来控制的，每个任务管
理块有3个最重要的参数：1，任务函数指针；2，任务堆栈指针；3，任务优先级；任务控制块
就是任务在系统里面的身份证（uCOSII通过优先级识别任务），任务控制块我们就不再详细介
绍了，详细介绍请参考任哲老师的《嵌入式实时操作系统uCOSII原理及应用》一书第二章。
在uCOSII系统中，使用CPU的时候，优先级高（数值小）的任务比优先级低的任务具有优
先使用权，即任务就绪表中总是优先级最高的任务获得CPU使用权，只有高优先级的任务让出
CPU使用权（比如延时）时，低优先级的任务才能获得CPU使用权。uCOSII不支持多个任务优先
级相同，也就是每个任务的优先级必须不一样。
任务的调度其实就是CPU运行环境的切换，即：PC指针、SP指针和寄存器组等内容的存取
过程，关于任务调度的详细介绍，请参考《嵌入式实时操作系统uCOSII原理及应用》一书第三
章相关内容）。
接下来我们将详细介绍用来创建任务的函数，它的重要性不言而喻。此外，我们在软件设
计部分会通过一个简单的程序来带领大家掌握它的用法。
INT8U OSTaskCreateExt (void (*task)(void *p_arg),
void *p_arg,
OS_STK *ptos,
INT8U prio,
INT16U id,
OS_STK *pbos,
INT32U stk_size,
void *pext,
INT16U opt);
OSTaskCreateExt()函数用于创建uCOSII中的任务。这个函数的早期版本是OSTaskCreate()
函数，但是OSTaskCreateExt()能够允许用户给任务明确更多的信息。利用这个函数，可以通
过运行中的任务建立新的任务，且新建的任务可以比初始的多任务（multitask）优先级更高。
此外不能通过中断来新建任务。强烈建议用户使用 OSTaskCreateExt()函数，而不是
OSTaskCreate()，因为前者使用起来更为灵活。
声明：
task:指向任务代码的指针。
p_arg:指向可选的数据区域的指针，用于给创建中的任务传递常量（parameters）。不过，
这个指针并不常用。
ptos:指向任务堆栈栈顶的指针。当任务处于中断状态时，堆栈用于储存的任务当地变量、
函数常量、返回地址、以及CPU中的寄存器的值。堆栈的大小由任务的需求以及参与的中断嵌
套（interrupt nesting）决定。如果配置常量OS_STK_GROWTH被设置为1，堆栈被设置为向下
进栈（从高存储空间到低存储空间），ptos需要指向堆栈的最高有效地址。如果OS_STK_GROWTH
被设置为0，堆栈的进栈方向则相反（从低存储空间到高存储空间）。
prio:任务的优先级。每一个任务都必须拥有它独特的优先级数字（不能重复）。优先级
的数字越低，任务的重要性（优先度）越高。
id: 任务的 ID 。 这 个 版 本 里 ID 并 没 有 被 其 他 的 函 数 运 用 , 只 是 被 简 单 地 加 入
OSTaskCreateExt()函数，用于未来的扩展。用户应该设置ID的值和任务优先级（prio）的值
一样。
pbos:指向任务堆栈栈底的指针。如果配置常量OS_STK_GROWTH被设置为1，堆栈被设置为
向下进栈（从高存储空间到低存储空间）。pbos因此需要指向堆栈的最低有效地址。如果
OS_STK_GROWTH被设置为0，堆栈的进栈方向则相反（从低存储空间到高存储空间）。因此，pbos
则必须指向堆栈的最高有效地址。pbos被栈检验函数OSTaskStkChk()使用。
stk_size:任务堆栈的大小。如果OS_STK被设置为INT8U，那么stk_size对应于堆栈中可以
使用的字节数（bytes）。如果OS_STK被设置为INT16U，那么stk_size指示栈里有多少个16bit
的存储空间。如果OS_STK被设置为INT32U，那么stk_size指示栈里有多少个32bit的存储空间。
pext:指向用户提供的存储空间（通常为数据结构）的指针，被作为任务控制块（TCB）的
扩展。
opt:包含任务说明选项。低8位被uCOSII保留，高8位可用于操作说明（application
specific）选项。每个选项包含一位或多位，当某一位被置1的时候，相应选项就被选择了。
当前版本的uCOSII提供了以下选项。
OS_TASK_OPT_NONE： 说明没有选项。
OS_TASK_OPT_STK_CHK： 说明堆栈检验是否被允许。
OS_TASK_OPT_STK_CLR： 说明堆栈是否需要被清空。
OS_TASK_OPT_SAVE_FP：说明是否要保存浮点寄存器。只有当你的处理器中包含浮点硬件，
以及处理器配置码（processor-specific code）中保存了浮点寄存器，这个选项才会有效。
更多的选项请查阅uCOS_II.H文件。
返回值：
OSTaskCreateExt()函数会返回以下错误码中的一种：
OS_ERR_NONE: 如果函数正确
OS_ERR_PRIO_EXIST: 如果要求的优先级已经存在
OS_ERR_PRIO_INVALID: 如果prio的值比OS_LOWEST_PRIO的值大
OS_ERR_NO_MORE_TCB: 如果uCOSII没有更多的任务控制块（OS_TCBs）用于赋值
OS_ERR_TASK_CREATE_ISR: 用户试图通过中断来建立任务
提示：
1. 堆栈必须被声明为OS_STK类型的。
2. 一个任务必须调用uCOSII提供的一种服务进入睡眠状态，来暂停任务。或者等待一个
事件发生（邮箱（mailbox）、队列（queue）、信号（semaphore））。这样使得其他
的任务能够获得CPU的控制权。
实验任务
本节实验任务是通过一个“Hello MicroC/OS-II”实验，让大家掌握创建uCOSII系统的步
骤和方法。
硬件设计
Qsys系统的搭建如图 16.3.1所示，本次实验所使用到的IP核在前面的章节中都有介绍过，
这里不再赘述。需要注意的是，在搭建Qsys系统的时候，必须添加timer IP核，来为uCOSII系
统提供时钟节拍，timer IP核的设置保持默认即可。
图 16.3.1 搭建的qsys系统
接下来我们来看下顶层模块的代码，如下所示：
1 module qsys_ucosii_hello(
2 //module clock
3 input sys_clk , //系统时钟，50Mhz
4 input sys_rst_n , //系统复位，低电平有效
5
6 //SDRAM interface
7 output sdram_clk , //SDRAM 芯片时钟
8 output sdram_cke , //SDRAM 时钟有效
9 output sdram_cs_n , //SDRAM 片选
10 output sdram_ras_n, //SDRAM 行有效
11 output sdram_cas_n, //SDRAM 列有效
12 output sdram_we_n , //SDRAM 写有效
13 output [ 1:0] sdram_ba , //SDRAM Bank地址
14 output [12:0] sdram_addr , //SDRAM 行/列地址
15 inout [15:0] sdram_data , //SDRAM 数据
16 output [ 1:0] sdram_dqm , //SDRAM 数据掩码
17
18 //EPCS FLASH interface
19 output epcs_dclk , // EPCS 时钟信号
20 output epcs_sce , // EPCS 片选信号
21 output epcs_sdo , // EPCS 数据输出信号
22 input epcs_data0 // EPCS 数据输入信号
23 );
24
25 //wire define
26 wire clk_100m; //SDRAM 控制器时钟
27 wire rst_n ; //系统复位信号
28 wire locked ; //PLL输出稳定标志
29
30 //*****************************************************
31 //** main code
32 //*****************************************************
33
34 //待PLL输出稳定之后，停止系统复位
35 assign rst_n = sys_rst_n & locked;
36
37 //例化PLL
38 pll_clk u_pll_clk(
39 .areset (~sys_rst_n),
40 .inclk0 (sys_clk ),
41 .c0 (clk_100m ),
42 .c1 (sdram_clk ),
43 .locked (locked )
44 );
45
46 //例化Qsys系统
47 system_qsys u_qsys(
48 .clk_clk (clk_100m ), // 时钟100M
49 .reset_reset_n (rst_n ), // 复位信号
50 .sdram_addr (sdram_addr ), // SDRAM 行/列地址
51 .sdram_ba (sdram_ba ), // SDRAM Bank地址
52 .sdram_cas_n (sdram_cas_n), // SDRAM 列有效
53 .sdram_cke (sdram_cke ), // SDRAM 时钟有效
54 .sdram_cs_n (sdram_cs_n ), // SDRAM 片选
55 .sdram_dq (sdram_data ), // SDRAM 数据
56 .sdram_dqm (sdram_dqm ), // SDRAM 数据掩码
57 .sdram_ras_n (sdram_ras_n), // SDRAM 行有效
58 .sdram_we_n (sdram_we_n ), // SDRAM 写有效
59 .epcs_dclk (epcs_dclk ), // EPCS 时钟信号
60 .epcs_sce (epcs_sce ), // EPCS 片选信号
61 .epcs_sdo (epcs_sdo ), // EPCS 数据输出信号
62 .epcs_data0 (epcs_data0 ) // EPCS 数据输入信号
63 );
64
65 endmodule
顶层模块的代码只是例化了qsys系统和PLL IP核，硬件设计部分和我们前面的实验区别不
大。对于uCOSII系统来说，重要的是软件设计的部分，接下来我们就来学习一下，如何创建一
个uCOSII系统。
软件设计
创建uCOSII系统和我们前面创建Nios工程的操作步骤基本一致，只是在进入【Nios II
Application and BSP from Template】界面的时候有所区别，需要在Project template下面
单击选择Hello MicroC/OS-II，其余操作和搭建Nios工程一致。如图 16.4.1所示：
图 16.4.1 创建uCOSII系统
创建完工程后，我们双击打开工程下的hello_ucosii.c文件，如下图所示：
图 16.4.2 hello_ucosii代码
图中hello_ucosii.c文件是软件为我们自动生成的，用于实现打印字符的功能。而图中
UCOSII文件夹里存放了uCOSII系统的源代码，感兴趣的朋友可以打开了解一下。
工程默认的代码如下所示：
1 #include <stdio.h>
2 #include "includes.h"
3
4 /* Definition of Task Stacks */
5 #define TASK_STACKSIZE 2048
6 OS_STK task1_stk[TASK_STACKSIZE];
7 OS_STK task2_stk[TASK_STACKSIZE];
8
9 /* Definition of Task Priorities */
10
11 #define TASK1_PRIORITY 1
12 #define TASK2_PRIORITY 2
13
14 /* Prints "Hello World" and sleeps for three seconds */
15 void task1(void* pdata)
16 {
17 while (1)
18 {
19 printf("Hello from task1\n");
20 OSTimeDlyHMSM(0, 0, 3, 0);
21 }
22 }
23 /* Prints "Hello World" and sleeps for three seconds */
24 void task2(void* pdata)
25 {
26 while (1)
27 {
28 printf("Hello from task2\n");
29 OSTimeDlyHMSM(0, 0, 3, 0);
30 }
31 }
32 /* The main function creates two task and starts multi-tasking */
33 int main(void)
34 {
35 OSTaskCreateExt(task1,
36 NULL,
37 (void *)&task1_stk[TASK_STACKSIZE-1],
38 TASK1_PRIORITY,
39 TASK1_PRIORITY,
40 task1_stk,
41 TASK_STACKSIZE,
42 NULL,
43 0);
44
45 OSTaskCreateExt(task2,
46 NULL,
47 (void *)&task2_stk[TASK_STACKSIZE-1],
48 TASK2_PRIORITY,
49 TASK2_PRIORITY,
50 task2_stk,
51 TASK_STACKSIZE,
52 NULL,
53 0);
54 OSStart();
55 return 0;
56 }
程序中定义了三个参数，分别是TASK_STACKSIZE、TASK1_PRIORITY和TASK2_PRIORITY。
TASK_STACKSIZE表示堆栈的大小，堆栈的作用就是用来保存局部变量，在uCOS中，每一个任务
都有一个独立的任务堆栈，使用OS_STK来定义堆栈；TASK1_PRIORITY和TASK2_PRIORITY分别定
义了任务1和任务2的优先级，任务优先级的数值越小，表示任务的优先级越高。
程序中的task1和task2为创建的两个任务，可以看到，每一个任务都是一个无限循环。任
务1和任务2都是实现输出字符串的功能，其中OSTimeDlyHMSM()函数实现延时的功能，同时释
放CPU的使用权，这个函数输入的参数分别表示延时小时、分钟、秒和毫秒，因此
OSTimeDlyHMSM(0,0,3,0)表示延时3秒，如代码中第14行至第31行所示。
程序中的main函数创建两个任务，分别是task1和task2，创建任务的函数是OSTaskCreateExt。
在创建完任务后，通过调用OSStart函数启动uCOSII，如代码中第32行至第56行所示。此时开始执
行任务，首先执行的是任务1，即打印字符“Hello from task1”；然后延时3秒后，执行任务
2，打印“Hello from task2”；然后再延时3秒，执行任务1，循环往复。
下载验证
接下来编译工程，稍等片刻后console界面会显示Build Finished，即编译成功，此时就
可以下载程序了。开发板连接电源线和下载器，并打开电源开关。
首先下载sof文件，然后点击菜单栏的【Run】→【Run Configurations】，进入下图所示
的界面：
图 16.5.1 Run Configurations界面
接着点击Target connection，如下图所示：
图 16.5.2 Target connection界面
最后点击Run，就开始下载程序了。如果无法点击Run，可以先点击Refresh Connections。
需要提醒的是在下载elf文件之前，需要先下载Quartus工程的sof文件。
程序下载完成，就会看到Nios II Console界面一直在打印“Hello from task1”和“Hello
from task2”。
图 16.5.3 Nios II Console界面
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