實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的改進(jìn)與應(yīng)用研究

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多采用單任務(wù)順序機(jī)制，應(yīng)用程序是一個(gè)無限的大循環(huán)，所有的事件都按順序執(zhí)行，與時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)的事件靠定時(shí)中斷來保證，由此帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性較差；尤其當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格時(shí)，這種單任務(wù)機(jī)制的弱點(diǎn)暴露無遺。本文引入的嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II是一個(gè)多任務(wù)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，主要提供任務(wù)管理功能。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的多個(gè)任務(wù)，必須決定這些任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序，任務(wù)調(diào)度算法需要?jiǎng)討B(tài)為就緒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)排序。為了滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求越來越高的需要，同時(shí)避免頻繁改變就緒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，在分析μC／OS-II源代碼的基礎(chǔ)上，對(duì)其調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)。

1 μC／OS-II概述
    μC／OS-II是一個(gè)完整的，可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核；支持56個(gè)用戶任務(wù)，支持信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等常用的進(jìn)程間通信機(jī)制；適用于各種微控制器和微處理器；所有代碼用ANSI C語言編寫，程序的可讀性強(qiáng)，具有良好的可移植性，已被移植到多種處理器架構(gòu)中，在某些實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
1．1 工作原理
    μC／OS-II的核心工作原理是：近似地讓最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。首先初始化MCU，再進(jìn)行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務(wù)控制塊TCB初始化，TCB優(yōu)先級(jí)表初始化，TCB鏈表初始化，事件控制塊(ECB)鏈表初始化，空任務(wù)的創(chuàng)建等。然后，開始創(chuàng)建新任務(wù)，并可在新創(chuàng)建的任務(wù)中再創(chuàng)建其他新任務(wù)。最后，訶用OSStart()函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。在多任務(wù)調(diào)度開始后，啟動(dòng)時(shí)鐘節(jié)拍源開始計(jì)時(shí)，此節(jié)拍源給系統(tǒng)提供周期性的時(shí)鐘中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)和超時(shí)確認(rèn)。
1．2 任務(wù)調(diào)度
    操作系統(tǒng)在下面的情況下進(jìn)行任務(wù)調(diào)度：中斷(系統(tǒng)占用的時(shí)間片中斷OSTimeTick()、用戶使用的中斷)和調(diào)用API函數(shù)(用戶主動(dòng)調(diào)用)。一種是當(dāng)時(shí)鐘中斷來臨時(shí)，系統(tǒng)把當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)掛起，保護(hù)現(xiàn)場，進(jìn)行中斷處理，判斷有無任務(wù)延時(shí)到期；若沒有別的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，則恢復(fù)現(xiàn)場繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。另一種調(diào)度方式是任務(wù)級(jí)的調(diào)度，即調(diào)用API函數(shù)(由用戶主動(dòng)調(diào)用)，足通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器在任務(wù)執(zhí)行中調(diào)度。當(dāng)沒有任何任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)，就去執(zhí)行空任務(wù)。

2 調(diào)度算法的改進(jìn)
2．1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)度策略
    在操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度算法的設(shè)計(jì)上，要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求來確定調(diào)度策略。實(shí)時(shí)調(diào)度策略按不同的方法可以分為：靜態(tài)／動(dòng)態(tài)，基于優(yōu)先級(jí)／不基于優(yōu)先級(jí)，搶占式／非搶占式，單處理器／多處理器。其中，靜態(tài)是指在任務(wù)的整個(gè)生命期內(nèi)優(yōu)先級(jí)保持不變，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是在系統(tǒng)建立任務(wù)時(shí)確定的；動(dòng)態(tài)是指在任務(wù)的生命期內(nèi)，隨時(shí)確定或改變它的優(yōu)先級(jí)別，以適應(yīng)系統(tǒng)工作環(huán)境和條件的變化。
    μC／OS-II系統(tǒng)采用的是靜態(tài)優(yōu)先級(jí)分配策略，由用戶來為每個(gè)任務(wù)指定優(yōu)先級(jí)。雖然任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可通過OSTaskChangePrio()函數(shù)改變，但函數(shù)功能簡單，僅以用戶指定的新優(yōu)先級(jí)來替換任務(wù)當(dāng)前的優(yōu)先級(jí)。隨著實(shí)時(shí)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求越來越高，多樣化的調(diào)度方法己成為一種趨勢。本文討論動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度中的最優(yōu)算法截止期最早優(yōu)先算法的改進(jìn)及其在μC／OS-II中的實(shí)現(xiàn)。
2.2 調(diào)度算法的改進(jìn)
    截止期最早優(yōu)先算法是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法中的最優(yōu)算法。在截止期最早優(yōu)先算法中，系統(tǒng)按任務(wù)的截止期給每個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)。任務(wù)的截止期越早其優(yōu)先級(jí)越高，反之亦然。為此，在本文所述截止期最早優(yōu)先算法的改進(jìn)中．需在μC/OS-II系統(tǒng)中增加表l所列的項(xiàng)目。

    在截止期最早優(yōu)先算法中，需要用戶為任務(wù)指定其截止期。在本改進(jìn)中，將OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()中的參數(shù)INT8U Prio改為INT8U deadline，并在函數(shù)內(nèi)定義局部變量INT8U Prio來記錄分配給任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。該算法改進(jìn)也要在系統(tǒng)中增加OSTaskPrioCreate()函數(shù)，函數(shù)優(yōu)先級(jí)分配的方法是按任務(wù)的截止期分配。該模塊流程如圖l所示。

    在對(duì)就緒任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，該模塊首先在數(shù)組中對(duì)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)完成調(diào)整并記錄任務(wù)優(yōu)先級(jí)的調(diào)整情況。在執(zhí)行此函數(shù)后，就緒任務(wù)隊(duì)列中任務(wù)的優(yōu)先級(jí)可能會(huì)改變，園此還需要在μC／OS-II系統(tǒng)中添加prio_adjust()函數(shù)。該函數(shù)應(yīng)用μC／OS-II系統(tǒng)原有的函數(shù)OSTaskChangePrio()來更新就緒任務(wù)，代碼如下：

    為防止多個(gè)任務(wù)同時(shí)調(diào)用OSTaskPrioCreate()函數(shù)造成混亂，這段代碼應(yīng)按臨界資源來處理，需要在調(diào)用前關(guān)中斷，調(diào)用后再開中斷。

3 應(yīng)用及評(píng)價(jià)
3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    在液壓測量控制HPMC模塊中，系統(tǒng)要求在18ms內(nèi)完成對(duì)7個(gè)位置的傳感器和用戶鍵盤數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理及顯示；且對(duì)于采集到的不同測量數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的緊迫程度，作出優(yōu)先級(jí)不同的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由外向內(nèi)分為3層：硬件電路層、任務(wù)層和操作系統(tǒng)層。

    硬件電路層主要包括HPMC模塊、用戶操作、單片機(jī)控制模塊。大致功能如下：HPMC模塊主要完成傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；用戶模塊主要完成用戶的操作；單片機(jī)控制模塊用于控制數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送、短消息的收發(fā)等。
    任務(wù)層并行存在lO個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)均由以下3部分組成：應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊，主要完成任務(wù)優(yōu)先權(quán)的動(dòng)態(tài)設(shè)置以及任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
    操作系統(tǒng)層的設(shè)計(jì)主要是將μC／OS-II移植到單片機(jī)上。本系統(tǒng)采用Atmel公司的MCS-5l系列兼容單片機(jī)，同時(shí)完成各個(gè)任務(wù)的具體編程。
3.2 算法評(píng)估
    選擇用動(dòng)態(tài)調(diào)度還是靜態(tài)調(diào)度是很重要的，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。靜態(tài)調(diào)度對(duì)時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很適合，而動(dòng)態(tài)調(diào)度對(duì)事件觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很適合。靜態(tài)調(diào)度必須事先仔細(xì)設(shè)計(jì)，并要花很大的力氣考慮選擇各種各樣的參數(shù)；動(dòng)態(tài)調(diào)度不要求事先作多少工作，而是在執(zhí)行期間動(dòng)態(tài)地作出決定。
    在HPMC模塊中，由于需對(duì)現(xiàn)場采集到的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，故對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。若采用μC/OS-II的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，當(dāng)系統(tǒng)中任務(wù)優(yōu)先級(jí)變化時(shí)則顯得無能為力；同時(shí)通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用表明，改進(jìn)后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了極大改善。

結(jié)語
    本文針對(duì)μC／OS-II靜態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了截止期優(yōu)先調(diào)度算法。通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，表明這種改進(jìn)能明顯提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；但是改進(jìn)后的算法對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)存、CPU等提出了更高的要求，存在一定的局限性。