嵌入式智能儀表自動(dòng)控制技術(shù)

本文根據(jù)智能儀表對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的特殊要求設(shè)計(jì)了一種新的任務(wù)調(diào)度算法，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于中低端儀器儀表的嵌入式微調(diào)度器。

1、實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的一般方法和策略

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)把應(yīng)用分為行為可以預(yù)知的、功能確定的多個(gè)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)一般處于3種狀態(tài)：執(zhí)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)(有的操作系統(tǒng)還具有掛起和休眠狀態(tài))。為了滿足實(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)根據(jù)一定的原則選擇合適的任務(wù)執(zhí)行。

常見的任務(wù)調(diào)度算法分為靜態(tài)算和動(dòng)態(tài)算法兩類：

① 靜態(tài)算法：在系統(tǒng)在運(yùn)行前(即系統(tǒng)初始化階段)，就為所有的任務(wù)分配固定的優(yōu)先級(jí)別，在系統(tǒng)執(zhí)行過程中優(yōu)先級(jí)保持不變。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，調(diào)度程序只需要查就緒表，就可以調(diào)度哪個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。

② 動(dòng)態(tài)算法：在系統(tǒng)初始化時(shí)初步分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)。每一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行時(shí)可以改變它的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)前的嵌入式操作系統(tǒng)一般采用靜態(tài)算法，只在處理優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)時(shí)臨時(shí)采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法。

2、儀器儀表對(duì)調(diào)度算法的要求

為了提高儀表的可靠性，實(shí)現(xiàn)高性能、多功能應(yīng)用，應(yīng)用于智能儀表的調(diào)度器必須滿足以下要求：

①良好的實(shí)時(shí)性。智能儀表必須實(shí)時(shí)地對(duì)通過現(xiàn)場總線采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字編碼，通過人機(jī)界面進(jìn)行顯示，并把用戶對(duì)被監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置實(shí)時(shí)地傳送給執(zhí)行部件。

② 基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度策略。在復(fù)雜的大規(guī)模應(yīng)用中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，對(duì)其數(shù)據(jù)顯示和傳輸控制需要通過不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來控制。

③ 低消耗要求。隨著應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，對(duì)智能儀表的計(jì)算能力要求越來越高，勢必要求調(diào)度器必須占用較少的系統(tǒng)資源。

④ 低成本要求。為了降低成本，在硬件設(shè)計(jì)上，存儲(chǔ)器的大小是成本控制的一個(gè)方面。因此，要求提供的調(diào)度器必須具備小內(nèi)核以減小存儲(chǔ)空間。此外，還要求調(diào)度器必須有精確定時(shí)的功能，也就是事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，以滿足智能儀表中周期性任務(wù)執(zhí)行和突發(fā)性任務(wù)執(zhí)行的需要。

3、嵌入式微調(diào)度器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)智能儀表對(duì)調(diào)度算法實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、低消耗的要求，本文提出了一種新的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，單任務(wù)隊(duì)列、具有4種任務(wù)狀態(tài)的非搶占式調(diào)度的輕量級(jí)任務(wù)調(diào)度算法，并根據(jù)這種算法實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于智能儀表的調(diào)度器。該算法的特點(diǎn)是以任務(wù)在任務(wù)控制塊數(shù)組中的相對(duì)位置表示優(yōu)先級(jí)高低，任務(wù)的狀態(tài)和延時(shí)量使用統(tǒng)一的任務(wù)狀態(tài)字，在少量任務(wù)的輕量級(jí)應(yīng)用中具有很好的時(shí)間和空間性能。

3.1 任務(wù)的狀態(tài)

在本調(diào)度器中任務(wù)有4種狀態(tài)：就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、等待狀態(tài)和掛起狀態(tài)。內(nèi)存中的任務(wù)必須處于這4種狀態(tài)之一。

就緒狀態(tài)：指任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間條件和資源條件都滿足，等待調(diào)度算法選擇最合適的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)一旦建立就處于就緒狀態(tài)，這一點(diǎn)和μC/0S-II相同。

運(yùn)行狀態(tài)：是當(dāng)前時(shí)刻任務(wù)占有CPU資源正在運(yùn)行的狀態(tài)。本調(diào)度算法選擇進(jìn)入就緒任務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行。任何時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。

等待狀態(tài)：如果任務(wù)需要等待一段時(shí)間才能運(yùn)行，那么這個(gè)任務(wù)當(dāng)前處于等待狀態(tài)。使任務(wù)延遲一段時(shí)間可通過調(diào)用0s_TasK_Delay()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。調(diào)度器在每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍檢查任務(wù)延遲時(shí)間，一旦任務(wù)定義的延遲時(shí)間到，就使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。

掛起狀態(tài)：正在運(yùn)行的任務(wù)需要等待某一事件的發(fā)生，如果該事件沒有發(fā)生那么任務(wù)就處于掛起狀態(tài)。事件的發(fā)生可能來自另外一個(gè)任務(wù)，也可能來自中斷服務(wù)程序。

除此之外，系統(tǒng)還可能處在中斷服務(wù)狀態(tài)。這是一種特殊的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)中斷時(shí)，正在執(zhí)行的任務(wù)被掛起，中斷服務(wù)程序控制了CPU的使用權(quán)，系統(tǒng)就進(jìn)入中斷服務(wù)狀態(tài)。

其中，空閑任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低，而且永遠(yuǎn)處于就緒狀態(tài)，而且當(dāng)所有的任務(wù)都在等待事件發(fā)生或者延遲時(shí)間結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行空閑任務(wù)。

3.2 調(diào)度器核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2.1 任務(wù)控制塊和任務(wù)控制塊列表

任務(wù)控制塊由任務(wù)堆棧、任務(wù)入口地址、任務(wù)狀態(tài)字和任務(wù)優(yōu)先級(jí)4個(gè)部分組成。任務(wù)堆棧用于保護(hù)被中斷的現(xiàn)場數(shù)據(jù);任務(wù)入口地址是指向任務(wù)程序的指針，用于指定任務(wù)所進(jìn)行的操作;任務(wù)狀態(tài)字用來表示任務(wù)當(dāng)前的狀態(tài)和延遲的時(shí)間間隔;任務(wù)優(yōu)先級(jí)表示就緒列表中的哪個(gè)任務(wù)可以優(yōu)先進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在整個(gè)調(diào)度過程中使用一個(gè)全局的任務(wù)控制塊數(shù)組來表示任務(wù)控制塊列表。每個(gè)任務(wù)使用唯一一個(gè)任務(wù)控制塊表示，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)通過任務(wù)控制塊在任務(wù)控制塊數(shù)組中的相對(duì)位置來表示。每個(gè)任務(wù)有且僅有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，所以任務(wù)的優(yōu)先級(jí)也可以用任務(wù)的ID號(hào)來表示。任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)如下：

typedef STruct{ //tsk_tcb結(jié)構(gòu)定義

pStack stack; //tsk_tcb堆棧入口

pTAsK task; //tsk_tcb指向的任務(wù)

U8 state; //tsk.tcb任務(wù)目前的狀態(tài)

U8 prior; //任務(wù)優(yōu)先級(jí)

｝TCB;

3.2.2 任務(wù)調(diào)度算法及實(shí)現(xiàn)

這種算法已在16位單片機(jī)Motorola MC9S12DP256B和8位單片機(jī)AT89C52上實(shí)現(xiàn)。一些與硬件相關(guān)的算法，主要給出在MC9S12DP256B上的算法實(shí)現(xiàn)。

①建立任務(wù)Os-Task-Create()算法。任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)代碼如下：

void 0s_Task_Create(0S_STACK*task_stack，

uW0rd task_id，pTASK task_func){

os_tcb[task_id].task=task_func;

os_tcb[task_id].stack=task_stack;

os_tcb[task_id].prior=task_id;

｝

該程序表示了系統(tǒng)建立任務(wù)的過程。如上節(jié)所述每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)，所以任務(wù)ID也可表示任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。建立任務(wù)的過程就是，把任務(wù)控制塊數(shù)組的任務(wù)入口地址對(duì)應(yīng)ID(即任務(wù)優(yōu)先級(jí))的任務(wù)控制塊的任務(wù)入口地址指向任務(wù)函數(shù)的地址，并初始化該任務(wù)的任務(wù)堆棧。

② 任務(wù)調(diào)度算法的功能是找到當(dāng)前就緒列表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，并把這個(gè)任務(wù)切換到運(yùn)行狀態(tài)。在任務(wù)控制塊列表中使用任務(wù)在列表中的相對(duì)位置表示優(yōu)先級(jí)的高低，并不需要實(shí)際地對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行比較。算法流程如圖1所示。

從任務(wù)控制塊隊(duì)列的頭部(即任務(wù)優(yōu)先級(jí)為O的任務(wù))開始依次檢查任務(wù)就緒標(biāo)志(os_tcb.state)，如果當(dāng)前任務(wù)標(biāo)志≠1，表示當(dāng)前任務(wù)為非就緒狀態(tài)，繼續(xù)檢查下一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。如果當(dāng)前任務(wù)標(biāo)志為1，則找到最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)退出循環(huán)，調(diào)用任務(wù)調(diào)度函數(shù)進(jìn)行任務(wù)狀態(tài)切換。[!--empirenews.page--]

任務(wù)的調(diào)度算法如下：

void os_schedule_task(void){

int i ;

pCur_task=pHi_task;

for(i=O;i%26lt;TASKNUM&&os_tcb[i].state!=1;i++){

｝

Hi_task=i;

if(pHi_task!=%26amp;os_tcb[i]){

pHi_task=%26amp;os_tcb[i];

os_sw_task();

}

}

任務(wù)級(jí)切換函數(shù)需要改變程序計(jì)數(shù)器(PC)，所以必須通過軟中斷實(shí)現(xiàn)。在軟中斷服務(wù)函數(shù)中改變當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的TCB指針到最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)，執(zhí)行中斷返回指令在新的任務(wù)堆棧中彈出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的PSW和PC指針，從而完成任務(wù)切換。

③ 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要是激活任務(wù)os_TasK_AcTIve()、掛起任務(wù)os_TasK_Suspend()和延遲任務(wù)os_TasK_Delay()。掛起任務(wù)使任務(wù)進(jìn)入掛起狀態(tài)，延遲任務(wù)使任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，而激活任務(wù)函數(shù)可以使任務(wù)從掛起狀態(tài)或者等待狀態(tài)直接進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)的狀態(tài)由任務(wù)控制塊中的任務(wù)狀態(tài)字(os_tcb.state)給出。當(dāng)os_tcb.state=1時(shí)表示任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài);當(dāng)os_tcb.state=O時(shí)表示任務(wù)處于掛起狀態(tài);當(dāng)os_tcb.state%26gt;1時(shí)表示任務(wù)等待os_tcb.state-1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘間隔之后進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)狀態(tài)切換示意圖如圖2所示。

④由于這些中低端的儀器儀表每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間都比較短，為了避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)和死鎖，采用非搶占式調(diào)度方式，進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)必須在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完成后才能被調(diào)度。調(diào)度時(shí)處于就緒表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行。

3.2.3 調(diào)度算法的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)

時(shí)間驅(qū)動(dòng)需要硬件提供時(shí)鐘節(jié)拍來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的定時(shí)。時(shí)鐘節(jié)拍信號(hào)源可以是專門的硬件定時(shí)器，比如AT89C52中的Timer2。也可以使用其他更精確的方式提供系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍。在這里使用MC9S12DP256B捕獲器的第7個(gè)通道來實(shí)現(xiàn)，時(shí)鐘中斷處理函數(shù)如下：

的捕獲器中有一個(gè)自動(dòng)增長主時(shí)鐘，每一個(gè)硬件周期驅(qū)動(dòng)TCNT+1，并與TC7相比較。設(shè)置TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS(在系統(tǒng)配置文件中定義)，當(dāng)度過OS_TICK_OC_CNTS個(gè)硬件周期時(shí)，TCNT=TC7則產(chǎn)生中斷。在中斷中調(diào)用系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)提供精確的系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，并再次初始化TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS，產(chǎn)生下一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。

系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)自動(dòng)檢查每個(gè)被延遲的任務(wù)，當(dāng)任務(wù)的延遲周期結(jié)束后，自動(dòng)將任務(wù)切換到就緒狀態(tài)。具體算法如下：

① 從任務(wù)控制塊列表頭部開始順序檢查各任務(wù)狀態(tài)字，將所有延遲任務(wù)的任務(wù)狀態(tài)字減1。

② 當(dāng)前延遲任務(wù)的狀態(tài)字變?yōu)?時(shí)，該任務(wù)延時(shí)結(jié)束，置就緒任務(wù)列表改變標(biāo)志位。

③ 恢復(fù)被中斷任務(wù)狀態(tài)，返回中斷。