μC/OS-Ⅱ在應(yīng)用系統(tǒng)中任務(wù)劃分方法的研究

μC/OS-Ⅱ是由Jean J.Labrosse于1992年開(kāi)始提出的一個(gè)源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，至今仍在繼續(xù)發(fā)展，其已經(jīng)在工業(yè)控制、儀器儀表、汽車電子、航空航天和消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它采用占先式實(shí)時(shí)調(diào)度方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔精練、可讀性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、便于移植，只需少量的工作就能將其移植到8位、16位和32位微處理器上。目前，μC/OS-Ⅱ已成為嵌入式開(kāi)發(fā)人員入門嵌入式操作系統(tǒng)的合適選擇。

開(kāi)發(fā)基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，首先需針對(duì)目標(biāo)硬件平臺(tái)對(duì)μC/OS-Ⅱ進(jìn)行移植。在詳細(xì)分析總體需求的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)功能合理地劃分為多個(gè)不同任務(wù)實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，在實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的過(guò)程中，任務(wù)劃分是十分重要的環(huán)節(jié)。劃分任務(wù)是否合理有效不僅直接決定了μC/OS-Ⅱ的性能和執(zhí)行效率，還間接影響著應(yīng)用系統(tǒng)甚至整個(gè)項(xiàng)目的成敗。

對(duì)于國(guó)內(nèi)眾多嵌入式方向的研究人員和愛(ài)好者，基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ進(jìn)行教學(xué)或者研發(fā)，大多側(cè)重于μC/OS-Ⅱ在各種特定目標(biāo)硬件平臺(tái)上的移植和簡(jiǎn)單使用。而μC/OS-Ⅱ上的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)特別是劃分任務(wù)策略雖已引起諸多關(guān)注，但到目前為止卻鮮有詳細(xì)而系統(tǒng)的研究成果。本文在總結(jié)前人工作和實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了μC/OS-Ⅱ任務(wù)劃分的方法和原則，并結(jié)合實(shí)踐給出基于MC9S12NE64硬件平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例。

1 μC/OS-Ⅱ的任務(wù)管理機(jī)制

在μC/OS-Ⅱ中，每個(gè)任務(wù)可以是一個(gè)典型的無(wú)限循環(huán)，都處在μC/OS-Ⅱ規(guī)定的一種任務(wù)狀態(tài)。程序員把一個(gè)大地應(yīng)用程序分成相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)任務(wù)來(lái)完成，大大提高了CPU的利用率，極大地方便了應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和維護(hù)。而多任務(wù)系統(tǒng)則通過(guò)任務(wù)切換實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度運(yùn)行。

從存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)看，任務(wù)由3個(gè)部分組成：任務(wù)的程序代碼、任務(wù)堆棧和任務(wù)控制塊(PCB)。其中，任務(wù)堆棧用來(lái)保存該任務(wù)運(yùn)行時(shí)的工作環(huán)境;任務(wù)控制塊用來(lái)保存該任務(wù)的一些屬性;任務(wù)程序代碼則描述了該任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程。μC/OS-Ⅱ可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)，其中的空任務(wù)(IDLE)和統(tǒng)計(jì)任務(wù)(STATISTICS)為系統(tǒng)任務(wù)，其余都屬于用戶任務(wù)。μC/OS-Ⅱ規(guī)定其每個(gè)任務(wù)必須設(shè)置為不同且惟一的優(yōu)先級(jí)(優(yōu)先級(jí)的數(shù)值越小，則代表任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別越高)，而μC/OS-Ⅱ內(nèi)核會(huì)調(diào)度處于就緒狀態(tài)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)進(jìn)行處理，并分配CPU。就緒狀態(tài)屬于任務(wù)的5種狀態(tài)之一，其余4種狀態(tài)分別為：睡眠狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、等待狀態(tài)、中斷服務(wù)狀態(tài)。μC/OS-Ⅱ的任務(wù)總會(huì)處于這5種狀態(tài)之一，并根據(jù)不同的條件在5種狀態(tài)中進(jìn)行切換，如圖1所示。

2 任務(wù)劃分的方法

2.1 以硬件模塊為對(duì)象劃分任務(wù)

在使用μC/OS-Ⅱ劃分任務(wù)時(shí)，應(yīng)將各硬件模塊相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序劃分為不同的任務(wù)，根據(jù)硬件模塊在系統(tǒng)功能中的關(guān)鍵性順序設(shè)定相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。以MCU為中心，將各硬件驅(qū)動(dòng)程序劃分為獨(dú)立的任務(wù)，不僅有效防止了爭(zhēng)用硬件模塊出現(xiàn)的問(wèn)題，還能夠提高整個(gè)μC/OS-Ⅱ的執(zhí)行效率，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，為系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展功能打下良好的基礎(chǔ)。

將不同硬件模塊的操作劃分為不同的任務(wù)，使得應(yīng)用系統(tǒng)必須通過(guò)μC/OS-Ⅱ內(nèi)核調(diào)度相應(yīng)的任務(wù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于某個(gè)硬件模塊的訪問(wèn)。這樣，每個(gè)模塊都有且只有惟一的任務(wù)與之對(duì)應(yīng)，其他任務(wù)則無(wú)權(quán)時(shí)訪問(wèn)它。這種操作模式有效地避免了由于多個(gè)任務(wù)同時(shí)爭(zhēng)用同一硬件模塊造成的沖突甚至死鎖現(xiàn)象。

按照硬件模塊劃分任務(wù)，可以有效提高μC/OS-Ⅱ的工作效率，增強(qiáng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)要求的處理能力。例如：如果當(dāng)前系統(tǒng)正在對(duì)并口設(shè)備進(jìn)行處理，由于并口屬于慢速設(shè)備，其執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于MCU總線頻率，因此在其工作過(guò)程中MCU大部分時(shí)間處于空閑狀態(tài)，即無(wú)事可做直到并口處理完畢為止。將并口驅(qū)動(dòng)獨(dú)立為單個(gè)任務(wù)之后，μC/OS-Ⅱ內(nèi)核就可以通過(guò)任務(wù)調(diào)度使并口處理任務(wù)和其他任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，減少M(fèi)CU處于空閑狀態(tài)的時(shí)間，從而提高了整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行效率。

硬件模塊與硬件驅(qū)動(dòng)任務(wù)一一對(duì)應(yīng)，使整個(gè)軟件系統(tǒng)框架清晰、結(jié)構(gòu)合理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。以增加串行通信功能為例，開(kāi)發(fā)人員只要編寫(xiě)相應(yīng)串口驅(qū)動(dòng)程序，在μC/OS-Ⅱ中增加串行通信任務(wù)即可，無(wú)需修改任何其他模塊的任務(wù)代碼。

2.2 劃分強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)

實(shí)時(shí)即立即、及時(shí)的意思，根據(jù)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)要求，可以將其分為強(qiáng)實(shí)時(shí)和弱實(shí)時(shí)2大類。強(qiáng)實(shí)時(shí)對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求很高，如果實(shí)時(shí)性得不到滿足，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至難以挽回的故障。弱實(shí)時(shí)雖然同樣要求調(diào)度時(shí)間短，響應(yīng)速度快，但其確定性較差，超過(guò)限定時(shí)間也能勉強(qiáng)工作。在基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)能夠在限定的時(shí)間范圍內(nèi)調(diào)度執(zhí)行，是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)有效的重要保障。因此，在劃分μC/OS-Ⅱ任務(wù)時(shí)，應(yīng)將每個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用劃分為獨(dú)立的任務(wù)，與其他應(yīng)用分開(kāi)，并設(shè)定高優(yōu)先級(jí)，以保證強(qiáng)實(shí)時(shí)事件的限時(shí)發(fā)生，避免出現(xiàn)災(zāi)難性后果。

假設(shè)把某一強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用與一弱實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用一起打包成為1個(gè)任務(wù)。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一旦該弱實(shí)時(shí)應(yīng)用因?yàn)槟撤N原因(例如：等待內(nèi)存數(shù)據(jù)、等待外部輸入信號(hào)、等待中斷發(fā)生等)導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，則在等待的事件發(fā)生之前，強(qiáng)實(shí)時(shí)應(yīng)用也無(wú)法通過(guò)任務(wù)調(diào)度得以執(zhí)行。在強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了以上所述的情況，結(jié)果是不堪設(shè)想的。

如果強(qiáng)實(shí)時(shí)性應(yīng)用允許通過(guò)中斷方式“通知”μC/OS-Ⅱ內(nèi)核，則可將該強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)代碼放入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中去處理。在中斷服務(wù)程序在發(fā)生引起中斷處理的事件后，由硬件機(jī)制自動(dòng)加載運(yùn)行(把中斷服務(wù)程序的入口地址放入PC寄存器)，無(wú)需軟件調(diào)度干涉，因此可更好保證應(yīng)用功能的強(qiáng)實(shí)時(shí)性。在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)代碼，同樣必須遵循中斷服務(wù)程序要盡可能簡(jiǎn)短的原則。具體的方法是通過(guò)分析每個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)功能和代碼，將其最重要的核心部分放人中斷處理程序中，其余部分形成一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)，兩者可通過(guò)任務(wù)同步機(jī)制(信號(hào)量、消息郵箱或者消息隊(duì)列)進(jìn)行聯(lián)系，以達(dá)到簡(jiǎn)化中斷處理過(guò)程的目的。

2.3 分割耗時(shí)較多的任務(wù)[!--empirenews.page--]

在一些較復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，個(gè)別任務(wù)代碼會(huì)包含繁瑣的計(jì)算算法，運(yùn)行時(shí)占用大量的CPU處理時(shí)間和資源，嚴(yán)重影響μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。對(duì)于這樣的任務(wù)，可將其按照不同的內(nèi)部功能劃分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊即為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小任務(wù)，相互之間通過(guò)任務(wù)通信機(jī)制協(xié)調(diào)工作。由于需要占用CPU較多的處理時(shí)間，這些任務(wù)幾乎沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求，所以通常將其優(yōu)先級(jí)設(shè)低，以確保強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)的正常運(yùn)行。

例如：當(dāng)前的μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)中有一任務(wù)在調(diào)度執(zhí)行時(shí)會(huì)占用較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致其運(yùn)行過(guò)程頻繁被強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)打斷，這樣CPU就需要“犧牲”大量時(shí)間和空間用于保存被打斷的任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)，而整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就會(huì)大大降低，執(zhí)行效率也大打折扣。該任務(wù)的描述如下：首先根據(jù)算法1處理數(shù)據(jù)X，其次利用算法2處理數(shù)據(jù)Y，最后將數(shù)據(jù)X和數(shù)據(jù)Y通過(guò)算法3得到數(shù)據(jù)Z。在這種情況下，應(yīng)將不同的算法處理部分劃分為獨(dú)立的子任務(wù)，并根據(jù)執(zhí)行順序逐次遞減任務(wù)優(yōu)先級(jí)。由于縮短了單個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間也隨之變短，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了提高。

3 應(yīng)用實(shí)例

作者在參與開(kāi)發(fā)的一個(gè)項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用了μC/OS-Ⅱ進(jìn)行多任務(wù)的管理。該項(xiàng)目基于Freescale公司1994年推出的微處理器MC9S12NE64，主要功能要求網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)光敏傳感器采集工廠生產(chǎn)設(shè)備的多個(gè)狀態(tài)指示燈，以獲取當(dāng)前設(shè)備的工作狀態(tài)信息，隨后通過(guò)UDP包將信息發(fā)送至局域網(wǎng)中PC服務(wù)器處理。此外，技術(shù)人員還能夠通過(guò)串行通信方式對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和維護(hù)。該采集系統(tǒng)劃分的主要任務(wù)及其優(yōu)先級(jí)設(shè)定如表1所示。

生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)信息采集及處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，因?yàn)樵撊蝿?wù)屬于強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)，無(wú)法及時(shí)執(zhí)行會(huì)使采集系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。而同樣屬于實(shí)時(shí)任務(wù)的系統(tǒng)測(cè)試維護(hù)功能由于實(shí)時(shí)要求并不高，所以優(yōu)先級(jí)次之。

A/D模塊驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)模塊通信程序、串口通信程序和FIASH模塊操作程序與各自硬件單元關(guān)系密切，故將它們劃分為獨(dú)立的硬件相關(guān)任務(wù)。

采集系統(tǒng)中耗時(shí)最多、處理最復(fù)雜的部分是局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信。由于受到芯片存儲(chǔ)空間的限制，作者并沒(méi)有移植現(xiàn)有源碼公開(kāi)的TCP/IP協(xié)議棧，取而代之的是自主研發(fā)了簡(jiǎn)易TCP/IP協(xié)議，并將該協(xié)議棧中每一層分割成為1個(gè)獨(dú)立的任務(wù)存在。

4 結(jié)語(yǔ)

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)公開(kāi)源碼、搶占式、多任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，自1992年面世以來(lái)，已應(yīng)用于上百種產(chǎn)品。與一些商用嵌入式操作系統(tǒng)相比，它源代碼結(jié)構(gòu)清晰，易于移植和裁剪，具有很大的發(fā)展空間。本文在分析μC/OS-Ⅱ任務(wù)管理機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)μC/OS-Ⅱ的任務(wù)劃分進(jìn)行了初步探究，闡述了一些任務(wù)劃分的方法：“劃分與硬件模塊相關(guān)的任務(wù)”、“劃分強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)”、“分割耗時(shí)較多的任務(wù)”。最后，結(jié)合開(kāi)發(fā)實(shí)踐給出了基于μC/OS-Ⅱ應(yīng)用系統(tǒng)的任務(wù)劃分實(shí)例。