傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計大多采用單任務順序機制,應用程序一個無限的大循環(huán),所有的事件都按順序執(zhí)行,與時間相關性較強的事件靠定時中斷來保證,由此帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性較差;尤其當系統(tǒng)功能較復雜,且對實時性要求較嚴格時,種單任務機制的弱點暴露無遺。本文引入的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個多任務的實時內(nèi)核,主要提供任務管理功能。在實時系統(tǒng)中的多個任務,必須決定這些任務的優(yōu)先級順序,任務調(diào)度算法需要動態(tài)為就緒任務的優(yōu)先級排序。為了滿足對實時性要求越來越高的需要,同時避免頻繁改變就緒任務的優(yōu)先級,在分析μC/OS-II源代碼的基礎上,對其調(diào)度算法進行改進。
1 μC/OS-II概述
μC/OS-II是一個完整的,可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內(nèi)核;
支持56個用戶任務,支持信號量、郵箱、消息隊列等常用的進程間通信機制;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,具有良好的可移植性,已被移植到多種處理器架構中,在某些實時性要求嚴格的領域中得到廣泛應用。
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)先級的就緒任務處于隕行狀態(tài)。首先初始化MCU,再進行操作系統(tǒng)初始化,主要完成任務控制塊TCB初始化,TCB優(yōu)先級表初始化,TCB鏈表初始化,事件控制塊(ECB)鏈表初始化,空任務的創(chuàng)建等。然后,開始創(chuàng)建新任務,并可在新創(chuàng)建的任務中再創(chuàng)建其他新任務。最后,訶用OSStart()函數(shù)啟動多任務調(diào)度。在多任務調(diào)度開始后,啟動時鐘節(jié)拍源開始計時,此節(jié)拍源給系統(tǒng)提供周期性的時鐘中斷信號,實現(xiàn)延時和超時確認。
1.2 任務調(diào)度
操作系統(tǒng)在下面的情況下進行任務調(diào)度:中斷(系統(tǒng)占用的時間片中斷OSTimeTick()、用戶使用的中斷)和調(diào)用API函數(shù)(用戶主動調(diào)用)。一種是當時鐘中斷來臨時,系統(tǒng)把當前正在執(zhí)行的任務掛起,保護現(xiàn)場,進行中斷處理,判斷有無任務延時到期;若沒有別的任務進入就緒態(tài),則恢復現(xiàn)場繼續(xù)執(zhí)行原任務。另一種調(diào)度方式是任務級的調(diào)度,即調(diào)用API函數(shù)(由用戶主動調(diào)用),足通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器在任務執(zhí)行中調(diào)度。當沒有任何任務進入就緒態(tài)時,就去執(zhí)行空任務。
2 調(diào)度算法的改進
2.1 實時系統(tǒng)的調(diào)度策略
在操作系統(tǒng)的多任務調(diào)度算法的設計上,要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求來確定調(diào)度策略。實時調(diào)度策略按不同的方法可以分為:靜態(tài)/動態(tài),基于優(yōu)先級/不基于優(yōu)先級,搶占式/非搶占式,單處理器/多處理器。其中,靜態(tài)是指在任務的整個生命期內(nèi)優(yōu)先級保持不變,任務的優(yōu)先級是在系統(tǒng)建立任務時確定的;動態(tài)是指在任務的生命期內(nèi),隨時確定或改變它的優(yōu)先級別,以適應系統(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)先級分配策略,由用戶來為每個任務指定優(yōu)先級。雖然任務的優(yōu)先級可通過OSTaskChangePrio()函數(shù)改變,但函數(shù)功能簡單,僅以用戶指定的新優(yōu)先級來替換任務當前的優(yōu)先級。隨著實時嵌入式技術的發(fā)展,對嵌入式系統(tǒng)的實時性要求越來越高,多樣化的調(diào)度方法己成為一種趨勢。本文討論動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度中的最優(yōu)算法截止期最早優(yōu)先算法的改進及其在μC/OS-II中的實現(xiàn)。
2.2 調(diào)度算法的改進
截止期最早優(yōu)先算法是動態(tài)優(yōu)先級調(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)按任務的截止期給每個任務分配優(yōu)先級。任務的截止期越早其優(yōu)先級越高,反之亦然。為此,在本文所述截止期最早優(yōu)先算法的改進中.需在μC/OS-II系統(tǒng)中增加表l所列的項目。
在截止期最早優(yōu)先算法中,需要用戶為任務指定其截止期。在本改進中,將OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()中的數(shù)INT8U Prio改為INT8U deadline,并在函數(shù)內(nèi)定義局部變量INT8U Prio來記錄分配給任務的優(yōu)先級。該算法改進也要在系統(tǒng)中增加OSTaskPrioCreate()函數(shù),函數(shù)優(yōu)先級分配的方法是按任務的截止期分配。該模塊流程如圖l所示。
在對就緒任務優(yōu)先級進行調(diào)整時,該模塊首先在數(shù)組中對任務的優(yōu)先級完成調(diào)整并記錄任務優(yōu)先級的調(diào)整情況。在執(zhí)行此函數(shù)后,就緒任務隊列中任務的優(yōu)先級可能會改變,園此還需要在μC/OS-II系統(tǒng)中添加prio_adjust()函數(shù)。該函數(shù)應用μC/OS-II系統(tǒng)原有的函數(shù)OSTaskChangePrio()來更新就緒任務,代碼如下:
為防止多個任務同時調(diào)用OSTaskPrioCreate()函數(shù)造成混亂,這段代碼應按臨界資源來處理,需要在調(diào)用前關中斷,調(diào)用后再開中斷。
3 應用及評價
3.1 系統(tǒng)結(jié)構
在液壓測量控制HPMC模塊中,系統(tǒng)要求在18ms內(nèi)完成對7個位置的傳感器和用戶鍵盤數(shù)據(jù)的實時采集、處理及顯示;且對于采集到的不同測量數(shù)據(jù),要求系統(tǒng)根據(jù)任務的緊迫程度,作出優(yōu)先級不同的實時響應。
系統(tǒng)的結(jié)構如圖2所示。由外向內(nèi)分為3層:硬件電路層、任務層和操作系統(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)的實時采集;用戶模塊主要完成用戶的操作;單片機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。
任務層并行存在lO個任務,每個任務均由以下3部分組成:應用程序、任務堆棧以及任務控制塊,主要完成任務優(yōu)先權的動態(tài)設置以及任務狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
操作系統(tǒng)層的設計主要是將μC/OS-II移植到單片機上。本系統(tǒng)采用Atmel公司的MCS-5l系列兼容單片機,同時完
成各個任務的具體編程。
3.2 算法評估
選擇用動態(tài)調(diào)度還是靜態(tài)調(diào)度是很重要的,這會對系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響。靜態(tài)調(diào)度對時間觸發(fā)系統(tǒng)的設計很適合,而動態(tài)調(diào)度對事件觸發(fā)系統(tǒng)的設計很適合。靜態(tài)調(diào)度必須事先仔細設計,并要花很大的力氣考慮選擇各種各樣的參數(shù);動態(tài)調(diào)度不要求事先作多少工作,而是在執(zhí)行期間動態(tài)地作出決定。
在HPMC模塊中,由于需對現(xiàn)場采集到的測量數(shù)據(jù)進行實時處理,故對系統(tǒng)的實時性提出了很高的要求。若采用μC/OS-II的靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法,當系統(tǒng)中任務優(yōu)先級變化時則顯得無能為力;同時通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應用表明,改進后系統(tǒng)的實時性得到了極大改善。
結(jié)語
本文針對μC/OS-II靜態(tài)調(diào)度算法進行改進,在系統(tǒng)中實現(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)中的應用,表明這種改進能明顯提高系統(tǒng)的實時性;但是改進后的算法對系統(tǒng)的內(nèi)存、CPU等提出了更高的要求,存在一定的局限性。