基于時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.引言

近年來，嵌入式發(fā)展迅速，采用51單片機(jī)死循環(huán)的事件觸發(fā)編程方式已逐漸不能滿足企業(yè)對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性的要求。目前，嵌入式系統(tǒng)軟件有VxWork、Linux、WinCE、μC/OS-II等，可出于成本和技術(shù)上的考慮，微控制器往往不會(huì)選取其進(jìn)行設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)面臨同時(shí)應(yīng)付多外設(shè)、多任務(wù)的情況，則對(duì)它們的相互調(diào)度必不可少。時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)就是這樣的簡(jiǎn)單實(shí)用的操作系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了基于AVR微控制器的時(shí)間觸發(fā)多任務(wù)調(diào)度器并應(yīng)用于實(shí)際。該調(diào)度器使用傳遞消息(message)的方式使得微控制器在多個(gè)任務(wù)及設(shè)備間切換。

2.AVR微控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AVR是目前使用以該系列的ATmega128為例說明，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，RISC指令集、低功耗、片上資源豐富的特點(diǎn)，極大簡(jiǎn)化了外圍電路，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。其特點(diǎn)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的硬件保證。

3.嵌入式兩種觸發(fā)方式的對(duì)比

在嵌入式系統(tǒng)中，通常采用兩種本質(zhì)上不同的調(diào)度方式：事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級(jí)中斷來實(shí)現(xiàn)，其發(fā)生時(shí)間具有隨機(jī)性;而時(shí)間觸發(fā)方式由一個(gè)全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的行為在功能與時(shí)間上都是確定的，即具有可預(yù)測(cè)性。

3.1 事件觸發(fā)方式存在的問題

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員有一種中斷事件絕不會(huì)丟失的錯(cuò)誤觀念，這往往給開發(fā)的產(chǎn)品帶來災(zāi)難性的后果。中斷事件丟失在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，產(chǎn)生的原因有多方面，但無外乎內(nèi)因和外因兩種。外因指嵌入式系統(tǒng)外產(chǎn)生的原因，這里主要指中斷源信號(hào)丟失或過于頻繁;而內(nèi)因又可分為硬件原因和軟件原因，硬件原因主要由所用嵌入式器件的中斷嵌套能力所致，軟件原因主要由開發(fā)者編程時(shí)對(duì)任務(wù)中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置錯(cuò)誤以及任務(wù)處理不當(dāng)所致。

例如，中斷0是一個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷，而中斷1是一個(gè)低優(yōu)先級(jí)中斷，則由高優(yōu)先級(jí)中斷激活的中斷服務(wù)程序不能被低優(yōu)先級(jí)的中斷打斷。于是，對(duì)第二個(gè)中斷的響應(yīng)將被延遲，甚至在一些情況下它有被完全忽略的可能。

如果多個(gè)中斷源可能在“隨機(jī)的”時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷，則中斷響應(yīng)可能被遺漏。實(shí)際上，在同時(shí)有幾個(gè)有效的中斷源的情況下，幾乎不可能創(chuàng)建程序代碼來正確地處理所有可能的中斷組合。并且同時(shí)處理多個(gè)事件不但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，而且降低了系統(tǒng)在所有情況下的行為預(yù)測(cè)能力。至于使用效率，Metzner討論并得出結(jié)論：一個(gè)包含27個(gè)任務(wù)、采用RM調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實(shí)際利用率僅為18%.

3.2 時(shí)間觸發(fā)方式的優(yōu)勢(shì)

在該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員能夠通過仔細(xì)安排可控的順序，保證一次只處理一個(gè)事件。它的可預(yù)測(cè)性使其成為安全相關(guān)的系統(tǒng)的首選。

Kopetz首先提出：使用基于時(shí)間觸發(fā)的合作式調(diào)度器會(huì)使得系統(tǒng)有非常好的可預(yù)測(cè)性。除可提高可靠性之外，使用該方式有助于減輕CPU的負(fù)荷及存儲(chǔ)器的使用量。

4.時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在該調(diào)度器中，定時(shí)器的設(shè)置被分離出來，并使之不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型以及處理器的位數(shù)，通過修改該部分可以輕松移植到多種硬件平臺(tái)。系統(tǒng)整體方框圖如圖1所示：

4.1 消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是調(diào)度器的核心，它是用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，包括了每個(gè)任務(wù)所需要的信息。盡量將其存儲(chǔ)在DATA區(qū)，以供快速存取。

對(duì)于基于時(shí)間觸發(fā)的混合式調(diào)度器，使用如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于每個(gè)任務(wù)存儲(chǔ)器的開銷僅為8個(gè)字節(jié)。即使是使用32位處理器，每個(gè)任務(wù)的開銷也僅為14個(gè)字節(jié)。

4.2 調(diào)度器定時(shí)器初始化函數(shù)

該函數(shù)用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)調(diào)度器的定時(shí)時(shí)標(biāo)。

本文所選用AVR系列的ATmega128微控制器具有四個(gè)定時(shí)器(兩個(gè)8位，兩個(gè)16位)，任一個(gè)都能用來驅(qū)動(dòng)調(diào)度器，權(quán)衡考慮選用定時(shí)器0.

void SCH_Init_T0(void){逐個(gè)刪除各個(gè)任務(wù);停止定時(shí)器0;設(shè)置時(shí)間大小函數(shù);使能定時(shí)器0方式;啟動(dòng)定時(shí)器0;}

注：在此期間不可開啟總中斷，即：

SREG=0×80或SEI();調(diào)度器必須先設(shè)定一個(gè)默認(rèn)的時(shí)間片，這并不是件簡(jiǎn)單的事。時(shí)間片過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)交互行為的響應(yīng)表現(xiàn)欠佳;時(shí)間片太短又會(huì)明顯地增大調(diào)度器處理耗時(shí)，而留給任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間卻很短。

根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)較為可取的時(shí)間片是略大于一次典型的交互所需要的時(shí)間，使大多數(shù)進(jìn)程在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)完成。經(jīng)反復(fù)嘗試，時(shí)間片選擇在1~5ms之間執(zhí)行效率較高，這樣既可滿足響應(yīng)速度的要求又能把任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間降到最低。該時(shí)間與任務(wù)個(gè)數(shù)和任務(wù)運(yùn)行時(shí)間均有關(guān)，具體大小視情況而定。

4.3 中斷服務(wù)程序

建議該函數(shù)由CTC方式激活，當(dāng)某任務(wù)需要運(yùn)行時(shí)，使之處于就緒態(tài)等待被執(zhí)行。該函數(shù)內(nèi)容由具體任務(wù)而定。

4.4 調(diào)度器任務(wù)添加函數(shù)

該函數(shù)用來將任務(wù)添加到消息隊(duì)列，以保證條件滿足時(shí)被調(diào)用，函數(shù)如下所示：

{定義靜態(tài)變量i;循環(huán)判斷任務(wù)隊(duì)列是否有空間;若無，報(bào)錯(cuò)返回;否則，添加任務(wù);}

4.5 調(diào)度函數(shù)

刷新函數(shù)雖然能夠直接激活任務(wù)，但若直接運(yùn)行，長(zhǎng)任務(wù)將破壞時(shí)標(biāo)中斷，這意味著所有的系統(tǒng)定時(shí)都將受到嚴(yán)重影響，造成許多任務(wù)不能被調(diào)度。因此，為了在長(zhǎng)任務(wù)存在的情況下使調(diào)度器的可靠性最大化，分離刷新和調(diào)度這兩個(gè)操作是必要的。

時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)采用的是FCFS算法，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，必須要求Durationtask

void SCH_Dispatch_Tasks(void){定義靜態(tài)變量i;如果運(yùn)行標(biāo)志位大于0,則執(zhí)行該任務(wù);該標(biāo)志位清零;如果是單次任務(wù)，則將其刪除;}

4.6 調(diào)度器任務(wù)刪除函數(shù)

void SCH_Delete_Task(const uint8task_id){定義 靜態(tài)返回值;若指針函數(shù)為空，返回空閑代碼;否則，對(duì)其延遲、周期、狀態(tài)等變量清零;返回代碼;}

5.應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

以電磁爐系統(tǒng)為例，進(jìn)一步介紹基于AVR微控制器的時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

電磁爐系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，如圖2所示，AVR要處理大量的外圍設(shè)備，為便于開發(fā)，將整個(gè)程序按照硬件及功能進(jìn)行模塊劃分，各個(gè)功能模塊之間通過傳遞消息的方式來完成多任務(wù)的處理。

針對(duì)該應(yīng)用，可設(shè)計(jì)功能模塊：MSGMap[],該數(shù)組由各個(gè)功能模塊組成，具體子函數(shù)如表1所列，使用函數(shù)數(shù)組的方式可以增強(qiáng)程序的擴(kuò)展能力。如果有新的外設(shè)，只需在這里添加對(duì)應(yīng)的模塊入口，并完成相應(yīng)的模塊就可以增加系統(tǒng)的功能。

其中每個(gè)任務(wù)的運(yùn)行周期間隔時(shí)間是程序中設(shè)定的參數(shù)(周期應(yīng)為4ms的倍數(shù))，具體執(zhí)行時(shí)間由AVR Studio測(cè)得，均應(yīng)小于設(shè)定時(shí)間片4ms,否則應(yīng)用將出錯(cuò)，需重新設(shè)定時(shí)間片大小或再次分割功能模塊。其中看門狗處理任務(wù)是唯一的搶占式任務(wù)。

6.結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，以AVR微控制器為核心的控制系統(tǒng)，外圍擴(kuò)展功能強(qiáng)大、開發(fā)較簡(jiǎn)單，結(jié)合以時(shí)間觸發(fā)理念為內(nèi)核的操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)一次只為一個(gè)任務(wù)分配空間，每個(gè)任務(wù)的存儲(chǔ)開銷只有8個(gè)字節(jié)，采用由C語(yǔ)言與匯編混合式編程，簡(jiǎn)單、安全，可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，尤其適用于對(duì)成本和穩(wěn)定性均有要求的中小企業(yè)。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，基于AVR的時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)必然有著廣闊的應(yīng)用前景。