OSAL多任务资源分配机制

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一、概述

OSAL (Operating System Abstraction Layer)，翻译为“操作系统抽象层”。

　在ZigBee协议中，协议本身已经定义了大部分内容。在基于ZigBee协议的应用开发中，用户只需要实现应用程序框架即可。应用程序框架中包含了最多240个应用程序对象。如果我们把一个应用程序对象看做为一个任务的话，那么应用程序框架将包含一个支持多任务的资源分配机制。于是OSAL便有了存在的必要性，它正是Z-Stack为了实现这样一个机制而存在的。

OSAL就是以实现多任务为核心的系统资源管理机制。所以OSAL与标准的操作系统还是有很大的区别的。

简单而言，OSAL实现了类似操作系统的某些功能，但并不能称之为真正意义上的操作系统。

二、OSAL运行方式

在GenericApp的工程的workspace里面可以看到三个文件，分别是“GenericApp.c”、“GenericApp.h”、“OSAL_GenericApp.c”。我们整个程序所实现的功能都在这三个文件当中。

首先打开GenericApp.c这个文件。我们首先看到的是比较重要的两个函数：GenericApp_Init和GenericApp_ProcessEvent。从函数名称上我们很容易得到的信息便是，GenericApp_Init是任务的初始化函数，而GenericApp_ProcessEvent则负责处理传递给此任务的事件，此函数的主要功能是判断由参数传递的事件类型，然后执行相应的事件处理函数。


当有一个事件发生的时候，OSAL负责将此事件分配给能够处理此事件的任务，然后此任务判断事件的类型，调用相应的事件处理程序进行处理。

三、 OSAL的事件传递机制

OSAL是如何传递事件给任务的？

首先介绍一下tasksArr 、tasksEvents（在OSAL_GenericApp.c文件中）。

const pTaskEventHandlerFn tasksArr[] = {
macEventLoop,
nwk_event_loop,
Hal_ProcessEvent,
#if defined( MT_TASK )
MT_ProcessEvent,
#endif
APS_event_loop,
#if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION )
APSF_ProcessEvent,
#endif
ZDApp_event_loop,
#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) || defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT )
ZDNwkMgr_event_loop,
#endif
GenericApp_ProcessEvent
};

const uint8 tasksCnt = sizeof( tasksArr ) / sizeof( tasksArr[0] );

uint16 *tasksEvents;
TaskArr这个数组里存放了所有任务的事件处理函数的地址，在这里事件处理函数就代表了任务本身，也就是说事件处理函数标识了与其对应的任务。tasksCnt这个变量保存了当前的任务个数。

tasksEvents是一个指向数组的指针，此数组保存了当前任务的状态。osal每个任务可以有16个事件，其中SYS_EVENT_MSG定义为0x8000，为系统事件，用户可以定义剩余的15个事件。



tasksEvents这个数组存放的是从序号为0到tasksCnt，每个任务在本次循环中是否要被运行，需要运行的任务其值非0（用橙色表示），否则为0。而tasksArr数组则存放了对应每个任务的入口地址，只有在tasksEvents中记录的需要运行的任务，在本次循环中才会被调用到。tasksEvents和tasksArr[]里的顺序是一一对应的, tasksArr[ ]中的第i个 事件处理函数对应于tasksEvents中的第i个任务的事件.



Zmain.c->osal_init_system()->osal_initTasks()中：

void osalInitTasks( void )
{
uint8 taskID = 0;

tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt);
osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));

macTaskInit( taskID++ );
nwk_init( taskID++ );
Hal_Init( taskID++ );
#if defined( MT_TASK )
MT_TaskInit( taskID++ );
#endif
APS_Init( taskID++ );
#if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION )
APSF_Init( taskID++ );
#endif
ZDApp_Init( taskID++ );
#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) || defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT )
ZDNwkMgr_Init( taskID++ );
#endif
SampleApp_Init( taskID );
}

tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt);

为当前osal中的各任务分配 缓冲区（实际上是一个数组，每个任务的大小是sizeof( uint16 )即4个字节，tasksCnt为任务数，sizeof(
uint16 ) * tasksCnt为分配缓冲区的字节数），函数返回指向任务缓冲区的指针，此指针的基本类型是 uint16。

osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));

把开辟的内存全部设置为0；sizeof( uint16 )是2个字节，即一个任务的长度（同样是uint16定义），乘以任务数量tasksCnt，即全部内存空间， tasksEvents 是缓冲区的首地址。

Zmain.c->osal_start_system()，此函数为一个死循环，在这个循环中，完成了所有的事件分配。

首先我们来看这样一段代码：

{

do

{

if (tasksEvents[idx])

{

break;

}

} while (++idx < tasksCnt);

}

　　当tasksEvents这个数组中的某个元素不为0，即代表此任务有事件需要相应，事件类型取决于这个元素的值。这个do-while循环会选出当前优先级最高的需要响应的任务，

{

events = (tasksArr[idx])( idx, events )；

}

　　此语句调用tasksArr数组里面相应的事件处理函数来响应事件。如果我们新添加的任务有了需要响应的事件，那么此任务的事件处理程序将会被调用。

　　就这样，OSAL就将需要响应的事件传递给了对应的任务处理函数进行处理。

四、事件的捕获

事件是如何被捕获的？直观一些来说就是，tasksEvents这个数组里的元素是什么时候被设定为非零数，来表示有事件需要处理的？

下面以GenericApp这个例程中响应按键的过程来进行说明。

首先，OSAL专门建立了一个任务来对硬件资源进行管理，这个任务的事件处理函数是Hal_ProcessEvent。在这个函数中通过调用osal_start_timerEx( Hal_TaskID, HAL_KEY_EVENT, 100);这个函数使得每隔100毫秒就会执行一次HalKeyPoll()函数。HalKeyPoll()获取当前按键的状态，并且通过调用OnBoard_KeyCallback函数向GenericApp任务发送一个按键消息，并且设置tasksEvents中GenericApp所对应的值为非零。





OSAL将硬件的管理也作为一个任务来处理。那么我们很自然的去寻找Hal_ProcessEvent这个事件处理函数，看看它究竟是如何管理硬件资源的。在“HAL\Commen\
hal_drivers.c”这个文件中，我们找到了这个函数。我们直接分析与按键有关的一部分。

{

if (events & HAL_KEY_EVENT)

{

#if (defined HAL_KEY) && (HAL_KEY == TRUE)

/* Check for keys */

HalKeyPoll();

/* if interrupt disabled, do next polling */

if (!Hal_KeyIntEnable)

{

osal_start_timerEx( Hal_TaskID, HAL_KEY_EVENT, 100);

}

#endif // HAL_KEY

return events ^ HAL_KEY_EVENT;

}

}

在事件处理函数接收到HAL_KEY_EVENT这样一个事件后，首先执行HalKeyPoll()函数。由于这个例程的按键采用查询的方法获取，所以是禁止中断的，于是表达式（!Hal_KeyIntEnable）的值为真。那么osal_start_timerEx( Hal_TaskID, HAL_KEY_EVENT, 100)得以执行。osal_start_timerEx这是一个很常用的函数，它在这里的功能是经过100毫秒后，向Hal_TaskID这个ID所标示的任务（也就是其本身）发送一个HAL_KEY_EVENT事件。这样以来，每经过100毫秒，Hal_ProcessEvent这个事件处理函数都会至少执行一次来处理HAL_KEY_EVENT事件。也就是说每隔100毫秒都会执行HalKeyPoll()函数。

那么我们来看看HalKeyPoll函数，在接近函数末尾的地方， keys变量（在函数起始位置定义的）获得了当前按键的状态。最后，有一个十分重要的函数调用。

(pHalKeyProcessFunction) (keys, HAL_KEY_STATE_NORMAL);

pHalKeyProcessFunction这个函数指针指向了void OnBoard_KeyCallback ( uint8 keys, uint8 state )，因为在HalKeyConfig函数中有一句话pHalKeyProcessFunction = cback；cback是HalKeyConfig所传进来的参数，所以，想要知道它所指向的函数，必须找到其调用的地方。经过简单的搜索我们不难找出答案。在main函数中有这样一个函数调用：InitBoard(
OB_READY );此函数中做了如下调用：

　　{

HalKeyConfig( OnboardKeyIntEnable, OnBoard_KeyCallback);

　　}

在 void OnBoard_KeyCallback 函数中按键的状态信息被封装到了一个消息结构体中。最后有一个极其重要的函数被调用了。osal_msg_send( registeredKeysTaskID, (uint8 *)msgPtr );其中registeredKeysTaskID 指的就是GenericApp。

在osal_msg_send函数中osal_set_event( destination_task, SYS_EVENT_MSG )设置了任务事件。

通过调用osal_msg_send函数向GenericApp发送了一个消息，这个消息记录了这个事件的附加信息。在GenericApp_ProcessEvent中，通过

{

MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( GenericApp_TaskID );

}

　　获取了这样一个消息，然后再通过GenericApp_HandleKeys进一步处理。

五、系统时钟

首先介绍一下定时器，协议栈里面有两类定时器：一类是硬件定时器，对应几个Timer,硬件时钟定时器即硬件时钟。另一类是软件定时器， 通过osal_start_timerEx()添加到软定时器链表，再由系统时钟进行统一减计数。

时间管理

对事件进行时间管理，OSAL采用了链表的方式进行，有时发生一个要被处理的事件，就启动一个逻辑上的定时器，并将此定时器添加到链表当中。利用硬件定时器作为时间操作的基本单元。设置时间操作的最小精度为1ms，每1ms硬件定时器便产生一个时间中断，在时间中断处理程序中去更新定时器链表。每次更新，就将链表中的每一项时间计数减1，如果发现定时器链表中有某一表项时间计数已减到0，则将这个定时器从链表中删除，并设置相应的事件标志。这样任务调度程序便可以根据事件标志进行相应的事件处理。

时间管理函数：

extern byte osal_start_timerEx(byte task_id, uint16 event_id, uint16 timeout_value);

这个函数为事件event_id设置超时等待时间timeout_value。一旦等待结束，便为task_id所对应的任务设置相应的事件发生标记，进行相应处理.

这段话中的硬件定时器,即为系统时钟定时器，定时时间为“TICK_TIME—系统时间片”。

系统时间是多少？

在OnBoard.h中定义：

/* OSAL timer defines */

#define TICK_TIME 1000 // Timer per tick - in micro-sec

1000us，即1ms，

系统时钟什么时候初始化？

在OnBoard.c中InitBoard()：

/***************************************

void InitBoard( byte level )//在zmain.c中先OB_COLD启动，后OB_READY启动

{

if ( level == OB_COLD )//冷启动

{

…………

/* Timer2 for Osal timer

* This development board uses ATmega128 Timer/Counter3 to provide

* system clock ticks for the OSAL scheduler. These functions perform

* the hardware specific actions required by the OSAL_Timers module.

*/

OnboardTimerIntEnable = FALSE; //对系统时钟定时器来说，默认为非中断方式

HalTimerConfig (OSAL_TIMER, // 8bit timer2

HAL_TIMER_MODE_CTC, // Clear Timer on Compare

HAL_TIMER_CHANNEL_SINGLE, // Channel 1 - default

HAL_TIMER_CH_MODE_OUTPUT_COMPARE, // Output Compare mode

OnboardTimerIntEnable, // FALSE

Onboard_TimerCallBack); // Channel Mode

}

…………

}

/***************************************
OnBoard.h中初始化

/* OSAL Timer define */

#define OSAL_TIMER HAL_TIMER_2

而通过halTimerRemap()知道HAL_TIMER_2对应HW Timer 4



定时器非中断方式函数调用流程：

osal_timer_activate( TRUE )开启系统时钟定时器——系统主循环函数osal_start_system()——调用Hal_ProcessPoll()轮询硬件——调用HalTimerTick()轮询定时器——定时器采用非中断方式则调用halProcessTimer()判断定时器是否溢出——溢出则调用halTimerSendCallBack()来发送消息给相应定时器的回调函数——调用各定时器的回调函数，如系统时钟定时器的Onboard_TimerCallBack()——调用osal_update_timers()来更新软件定时器链表中各定时器的计数值(每次减1ms)——如有软件定时器溢出调用osal_set_event()触发事件。

总结起来就是每1ms系统时钟都会跑到软件定时器链表中去把各定时器的计数值减1.

看下 osalTimerUpdate()这个函数

/*********************************************************************

* @fn osalTimerUpdate

*

* @brief Update the timer structures for a timer tick.

*

* @param none

*

* @return none

*********************************************************************/

static void osalTimerUpdate( uint16 updateTime )

{

…………
// Update the system time

osal_systemClock += updateTime; //系统时间，1ms往上加
// Look for open timer slot

if ( timerHead != NULL )

{

// Add it to the end of the timer list

srchTimer = timerHead;

prevTimer = (void *)NULL;
// Look for open timer slot

while ( srchTimer )

{

// Decrease the correct amount of time

if (srchTimer->timeout <= updateTime) //小于等于

srchTimer->timeout = 0;

else //大于

srchTimer->timeout = srchTimer->timeout - updateTime; //减1ms
// When timeout, execute the task

if ( srchTimer->timeout == 0 )

{

osal_set_event( srchTimer->task_id, srchTimer->event_flag ); //设置事件发生标志

…………

}

…………

}
…………

}
/*********************************************************************
osalTimerUpdate()来以ms为单位对软定时器链表中的“软定时器”减计数，溢出时，即调用osal_set_event触发事件。

系统时钟定时器什么时候开启？

osalTimerInit()函数中初始化timerActive = false，因此会在osal_start_timerEx()中执行osal_timer_activate( TRUE )。

系统什么时候开始运行第一个osal_start_timerEx()，就什么时候开启系统时钟。即当系统的软定时器链表中添加第一个软件定时器时，就开启系统时钟。那什么时候开始运行第一个osal_start_timerEx() ?一般是在任务的ProcessEvent函数中，如SampleApp_ProcessEvent和Hal_ProcessEvent。