μC/OS-II的多任務信息流與CAN總線驅(qū)動
關(guān)鍵詞：μC/OS-II RTOS嵌入式系統(tǒng) 設(shè)備驅(qū)動 中斷處理程序（ISR） 進程調(diào)度
μC/OS-II是美國人Jean Labrosse編寫的一個免費的、源碼公開的嵌入式實時內(nèi)核。對于開發(fā)計算機嵌入式應用產(chǎn)品的技術(shù)人員來說是一個實用價值很高的實時嵌入式操作系統(tǒng)ERTOS（Embedded Real Time Operation System）。
要開發(fā)出完善的ERTOS，就要在多任務的調(diào)度和對I/O設(shè)備操作的穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性方面做出大量的工作，這也是我在開發(fā)ERTOS過程中深深體會到的重點所在。希望本文能對開發(fā)ERTOS的技術(shù)人員在多任務信息流和I/O驅(qū)動方面有所啟迪。
1 多任務信息流關(guān)鍵技術(shù)
在討論多任務信息流之前，先討論一下多任務的工作狀態(tài)。在μC/OS中，每個任務都是無限循環(huán)的，每個任務都處在以下五種狀態(tài)之一：
休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)，如圖1所示。
在多任務的調(diào)度和驅(qū)動程序的編寫過程中，必然要涉及到公用代碼段和共享存儲區(qū)的保護問題。即使是原有的C函數(shù)，可重用性方面在沒有得到理論和實踐的驗證情況下也需要對其進行保護。這樣就需要合理的算法對公用代碼段、共享存儲區(qū)進行保護，避免操作系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生重用性問題而導致運行結(jié)果不可預測。
系統(tǒng)在開發(fā)過程中，既要考慮到減少系統(tǒng)的復雜程度，也要兼顧其穩(wěn)定性與運行效率的要求。這就需要我們對各種算法進行合理的選擇：在穩(wěn)定性可以保障的情況下，選擇相對簡單，占用CPU時間少的算法；在穩(wěn)定性不能保障的情況下，考慮選擇周全的算法。只有這樣才能使操作系統(tǒng)在一定的配置環(huán)境下達到最高的運行效率。
接下來分別用void CanSendMessageProcess(void *data)、void CanSendMessage(void *data)、void CanReceiveMessageProcess(void *data)和void CanReceiveMessage(void *data)這四個任務來描述在采用消息隊列、郵箱和信號量通信機制時的信息流的傳遞過程。
（1）消息隊列通信機制
消息隊列在初始化的時候，建立一個指定空間大小的數(shù)組，這個數(shù)組在使用的時候取得了環(huán)形緩沖區(qū)的概念。這個數(shù)組在運行期間不會被消除，這樣就避免了重復建立數(shù)組的時候內(nèi)存空間的泄漏問題。當一個任務向消息隊列發(fā)送一個信息的時候，相應的指針加1（OSQIn+1），隊列滿時(OSQEntries = OSQSize)，OSQIn則與OSQOut指向同一單元。如果在OSQIn指向的單元內(nèi)插入新的指向消息的指針，就構(gòu)成FIFO（First-In-First-Out）隊列。相反，如果在OSQOut指向單元的下一個單元插入新的指針，就構(gòu)成LIFO隊列（Last-In-First-Out）。在本實例中，我們定義FIFO隊列。消息指針總是從OSQOut指向的單元取出。OSQStart和OSQEnd定義了消息指針數(shù)組的頭和尾，以便在OSQIn和OSQOut到達隊列的邊緣時，進行邊界檢查和必要的指針調(diào)整，實現(xiàn)其循環(huán)功能。
消息隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct os_q {
struct os_q *OSQPtr; /* 在空閑隊列控制塊中鏈接所有的隊列控制塊*/
void *OSQStart; /*指向消息隊列的指針數(shù)組的起始地址的指針*/
void *OSQEnd; /* 指向消息隊列結(jié)束單元的下一個地址的指針*/
void *OSQIn; /* 指向消息隊列中插入下一條信息位置的指針*/
void *OSQOut; /* 指向消息隊列中下一個取出消息位置的指針*/
INT16U OSQSize; /* 消息隊列中總的單元數(shù)*/
INT16U OSQEntries; /*消息隊列中總的消息數(shù)量*/
} OS_Q;
圖2為消息隊列信息流的演示說明。
① CanSendMessageProcess任務完成信息的計算工作以后，將要發(fā)送的信息送進消息隊列1。
?、?CanSendMessage任務負責取得消息隊列1里面的信息。
?、?通過CAN總線I/O端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上去。如果消息隊列中沒有信息，則該任務由運行狀態(tài)進入等待狀態(tài)，直到從消息隊列中接收到信息為止。
?、?CanReceiveMessage任務負責讀取總線上面的信息。
?、?CanReceiveMessage任務將讀取到的信息送入消息隊列2。
⑥ CanReceiveMessageProcess任務是從消息隊列2中取出信息開始計算工作，如果消息隊列為空的話，該任務進入等待狀態(tài)。
消息隊列適用于一對一、一對多、多對多和多對一的關(guān)系。也就是說，消息隊列可以作為一塊共享的公共區(qū)域，為實施互斥，任務間需要同步；為了合作，進程間需要交換信息，這樣也就實現(xiàn)了同步和通信。
（2）郵箱通信機制
郵箱的概念和管道（管線）有相似的定義，一個任務或者中斷服務子程序向另一個任務發(fā)送一個指針型的變量，該指針指向一個包含了特定“消息”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在源端的任務只能向郵箱寫，在目的端的任務只能從郵箱讀。郵箱傳輸流數(shù)據(jù)，即連續(xù)的字節(jié)串或流。因此，訪問一個郵箱就像是訪問一個順序文件。郵箱可以用來通知一個事件的發(fā)生（發(fā)送一條信息），也可以用來共享某些資源，這樣郵箱就被當成一個二值信號量。
圖3為郵箱信息流的演示說明。
① CanSendMessageProcess任務將計算好的數(shù)據(jù)發(fā)送給CanSendMessage任務，然后進入就緒態(tài)等待應答信號。CanSendMessage在接收的同時發(fā)送應答握手信號給CanSendMessageProcess，確認信息接收完畢。
?、贑anSendMessage任務將CanSend MessageProcess任務發(fā)送來的信息發(fā)送到CAN總線，發(fā)送結(jié)束后進入就緒態(tài)等待下一次傳輸工作。
③ CanReceiveMessage任務接收來自總線的信息流，將接收到的信息發(fā)送到Can ReceiveMessageProcess任務，進入就緒態(tài)等待應答信號。
?、?CanReceiveMessageProcess任務收到信息后發(fā)送應答握手信號。
（3）信號量通信機制
信號量（semaphore）是一種約定機制：兩個或多個任務通過簡單的信號進行合作，一個任務可以被迫在某一位置停止，直到它接收到一個特定的信號。在多任務內(nèi)核中普遍將信號量用于：
◇ 標志某事件的發(fā)生；
◇ 控制共享資源的使用權(quán)（滿足互斥條件）；
◇ 使兩個任務的行為同步。
信號量主要實施三種操作：
◇ 一個信號量可以初始化為非負數(shù)；
◇ 等待（wait）操作使信號量減1。如果值變成負數(shù)，則執(zhí)行等待的任務被阻塞。
◇ 得到CPU使用權(quán)的任務singal操作使信號量加1。如果值不是正數(shù)，則被等待操作阻塞的任務被解除阻塞。
為了滿足信息傳遞過程中實時高效的原則，在消息隊列中部分地引入信號量的概念。也就是CanSendMessageProcess任務，把若干個字節(jié)的信息一次性地發(fā)送到消息隊列，令信號量加1并由運行態(tài)進入等待掛起狀態(tài)。在CanSendMessage任務獲得信號量后進入就緒態(tài)，等待CPU的使用權(quán)進入運行態(tài)。進入運行態(tài)后，該任務使信號量減1并從消息隊列中取出信息后通過I/O端口發(fā)送到CAN總線。CanReceiveMessage任務和CanReceive MessageProcess任務執(zhí)行與上面相反的操作。這個實例說明了信號量用于標志某事件的發(fā)生。（見圖2。）
2 μC/OS-II的中斷處理
μC/OS-II中，中斷服務程序一般用匯編語言來寫。以下是中斷服務程序的示意代碼。
用戶中斷服務程序:
保存全部CPU寄存器；
調(diào)用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；
執(zhí)行用戶代碼做中斷服務；
調(diào)用OSIntExit；
恢復所有CPU寄存器；
執(zhí)行中斷返回指令；
這里μC/OS-II提供了兩個ISR與內(nèi)核的接口函數(shù)：OSIntEnter和OSIntExit。OSIntEnter通知μC/OS-II內(nèi)核，中斷服務程序開始運行了。實際上，此函數(shù)做的工作是把一個全局變量OSIntNesting加1。在x86等有累加指令的CPU中，可以用指令代替OSIntEnter：
INC BYTE PTR OSIntNesting
此中斷嵌套計數(shù)器可以確保所有中斷處理完成后再作任務調(diào)度。另一個接口函數(shù)OSIntExit則通知內(nèi)核，中斷服務已結(jié)束。根據(jù)相應情況，返回被中斷點（可能是一個任務或者被嵌套的中斷服務程序）或由內(nèi)核作任務調(diào)度。
用戶編寫的ISR必須被安裝到某一位置，以便中斷發(fā)生后，CPU根據(jù)相應的中斷號運行準確的服務程序。許多實時操作系統(tǒng)都提供了安裝、卸載中斷服務程序的API接口函數(shù)，有些成熟的RTOS甚至對中斷控制器的管理都有相應的API函數(shù)。但 μC/OS-II內(nèi)核沒有提供類似的接口函數(shù)，需要用戶在對應的CPU移植中自己實現(xiàn)。這些接口函數(shù)與具體的硬件環(huán)境有關(guān)，接下來PC體系下的中斷處理對此有詳細的說明。
3 PC體系下的中斷
X86系列的處理器可支持256個中斷，并用向量表的方法來關(guān)聯(lián)每個中斷和相應ISR的位置。在實模式下，中斷向量表（IVT）存于內(nèi)存的低端1K。每個向量表條目占4字節(jié)，保存一個ISR的段地址和偏移信息。PC系統(tǒng)使用兩個級聯(lián)的可編程中斷控制器82C59A。一個82C59A能連接8個硬件中斷，編號為IRQ0~IRQ7。 PC總共可管理15個外部中斷源，PC的中斷控制器如圖4所示。（關(guān)于82C59A的詳細使用可參見有關(guān)資料。）
在μC/OS下，CAN總線I/O端口中斷向量設(shè)置偽代碼：
void CanInitHW(UI segment,BYTE Irq0,BYTE Irq1){
保存原有的中斷向量
保存掩碼寄存器的值
使82C59A的掩碼寄存器（0x21）各位置1，關(guān)閉中斷輸入
關(guān)閉CPU中斷
設(shè)置新的中斷向量
正在服務的中斷禁止再次響應服務(假定當前服務中斷是IRQ5)
開CPU中斷
清除82C59A的掩碼寄存器（0X21、0XA1）各位，開啟中斷輸入
}
4 信號量與緩沖隊列支持下的CAN總線驅(qū)動
前面介紹了μC/OS-II內(nèi)核下多任務調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)、中斷與PC體系下中斷的一般方法。又以82C59A的中斷5（IRQ5）、0x0D中斷向量為例，介紹了中斷服務子程序的重新分配和響應SJA1000控制器收發(fā)的中斷服務子程序。
下面介紹信號量配合下的環(huán)形緩沖隊列與中斷處理程序之間的關(guān)系問題，這也是設(shè)備驅(qū)動部分的核心內(nèi)容。
ERTOS的驅(qū)動程序與其它操作系統(tǒng)有所不同。比如Windows、Unix、Solaris、Linux等操作系統(tǒng)弱化了設(shè)備的概念，用戶進程對設(shè)備的使用可以通過文件系統(tǒng)來完成。然而，在μC /OS-II上開發(fā)CAN總線驅(qū)動程序沒有那么嚴格，只要滿足設(shè)備在連續(xù)的CPU時間上使用時不發(fā)生時間重疊就可以了。
串行設(shè)備或者其它字符型設(shè)備都存在外設(shè)處理速度和CPU速度不匹配的問題，所以需要建立相應的緩沖區(qū)。向CAN口發(fā)送數(shù)據(jù)時，只要把數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)，然后由SJA1000控制器逐個取出往外發(fā)。從CAN口接收數(shù)據(jù)時，往往等收到若干個字節(jié)后才需要CPU進行處理，所以這些預收的數(shù)據(jù)可以先存于緩沖區(qū)。緩沖區(qū)可以設(shè)置收到若干個字節(jié)后再中斷CPU，這樣避免了因為CPU的頻繁中斷而降低系統(tǒng)的實時性。
在對緩沖區(qū)讀寫的過程中，經(jīng)常會遇到想發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送緩沖已滿；想去讀時，接收緩沖卻是空的。對于用戶程序端，可以采用查詢工作方式，即放棄無法讀寫的操作，然后再頻繁地去嘗試這個操作直到成功，這樣程序效率顯然降低。如果引入讀、寫兩個信號量分別對緩沖區(qū)兩端的操作進行同步，問題將迎刃而解。用戶任務想寫但緩沖區(qū)滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務，待ISR從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)后喚醒此睡眠的任務；類似地，用戶任務想讀但緩沖區(qū)空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于μC/OS-II的信號量提供了超時等待機制，CAN口當然也具有超時讀寫能力。
帶緩沖和信號量的CAN口接收和發(fā)送部分見本刊網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）。
接口函數(shù)總結(jié)如下。
void CanInitHW(UI segment,BYTE irq0,BYTE IRQ1)
/*設(shè)置SJA1000控制器端口中斷向量*/
int canReleaseHW() /* 清除SJA1000控制器端口中斷向量*/
int canSendMsg( CANBYTE port, MSG_STRUCT msg)
/* 向定制SJA1000控制器端口發(fā)送數(shù)據(jù)*/
int canReceiveMsg( CANBYTE port, MSG_STRUCT msg_ptr)
/*從定制SJA1000控制器端口接收數(shù)據(jù)
int canConfig( CANBYTE port, CAN_STRUCT can)
/*初始化和配置SJA1000控制器 */
int canNormalRun( CANBYTE port )
/*設(shè)置SJA1000正常(Normal)運行模式 */
int canReset( CANBYTE port )
/* SJA1000控制器端口重新設(shè)置，緩沖區(qū)置位0xff*/
CANBYTE can0r( CANBYTE addr)
/*讀取SJA1000控制器端口0的定制寄存器的值 */
CANBYTE can1r( CANBYTE addr)
/*讀取SJA1000控制器端口1的定制寄存器的值 */
接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：
typedef struct {
INT16U RingBufRxCtr; /* 接收緩沖中字符數(shù)目 */
OS_EVENT RingBufRxSem; /* 接收信號量 */
INT8U RingBufRxInPtr; /* 接收緩沖中下一字符的寫入位置 */
INT8U RingBufRxOutPtr; /* 接收緩沖中下一待讀出字符的位置 */
INT8U RingBufRx[CAN_RX_BUF_SIZE]; /* 接收環(huán)形緩沖區(qū)*/
INT16U RingBufTxCtr;
/* 發(fā)送緩沖中字符數(shù)目 */
OS_EVENT *RingBufTxSem; /* 發(fā)送信號量 */
INT8U *RingBufTxInPtr;
/* 發(fā)送緩沖中下一字符的寫入位置 */
INT8U *RingBufTxOutPtr;
/* 發(fā)送緩沖中下一待讀出字符的位置 */
INT8U RingBufTx[CAN_TX_BUF_SIZE]; /* 發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)*/
} CAN_RING_BUF;
結(jié) 語
本文是在嵌入式計算機技術(shù)領(lǐng)域的應用背景下提出的，整個工程開發(fā)結(jié)束以后，系統(tǒng)正常運作時間超過27天。希望本文的提出對開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的技術(shù)人員能有所幫助，同時也希望同一領(lǐng)域的開發(fā)人員共同探討、共同發(fā)展。
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