利用實(shí)時(shí)內核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)程序

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)內核 多任務(wù) 任務(wù)構造 嵌入式系統

隨著(zhù)嵌入式系統的廣泛使用，傳統的前臺/后臺程序開(kāi)發(fā)機制已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益復雜和多樣化的嵌入式應用需求，因而常常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核（簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)內核）開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)程序。嵌入式實(shí)時(shí)內核提供多任務(wù)、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步、內存管理等重要服務(wù)，使嵌入式應用程序容易設計和擴展。內核是管理微處理器或者微控制器時(shí)間的軟件，確保所有時(shí)間關(guān)鍵的事件盡可能高效地得到處理；允許將系統分成多個(gè)獨立的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)處理程序的一部分，從而簡(jiǎn)化系統的設計過(guò)程。

一、非搶占式內核和搶占式內核

實(shí)時(shí)內核分為兩種：非搶占式內核和搶占式內核。這兩種內核都由中斷服務(wù)例程（ISR）處理異步事件。在非搶占式內核中，一個(gè)ISR使優(yōu)先級更高的任務(wù)就緒，并不立即將CPU控制權交給優(yōu)先級高的任務(wù)，而是返回到被中斷的當前任務(wù)。只有當前任務(wù)執行某種操作明確放棄CPU時(shí)，優(yōu)先級高的新任務(wù)才得到CPU控制權。非搶占式內核對實(shí)時(shí)事件的響應時(shí)間不確定，因而極少在實(shí)時(shí)應用中使用。圖1所示為非搶占式內核程序流程：①低優(yōu)先級任務(wù)（LPT）執行；②低優(yōu)先級任務(wù)被中斷；③執行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級任務(wù)（HPT）就緒；④中斷服務(wù)例程返回到被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)；⑤低優(yōu)先級任務(wù)繼續執行；⑥低優(yōu)先級任務(wù)放棄CPU；⑦高優(yōu)先級任務(wù)運行。

目前在大多數嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統應用中，對系統實(shí)時(shí)響應要求很高，因此采用搶占式內核確保時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)最先執行，使優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)總是最先得到CPU控制權。優(yōu)先級低的當前任務(wù)能夠被優(yōu)先級更高的任務(wù)搶占，暫時(shí)掛起執行，將CPU控制權交給優(yōu)先級高的任務(wù)。圖2所示為搶占式內核程序流程：①低優(yōu)先級任務(wù)執行；②異步事件使任務(wù)中斷；③響應異步事件，運行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級任務(wù)就緒；④中斷服務(wù)例程返回到高優(yōu)先級任務(wù)；⑤高優(yōu)先級任務(wù)執行，直到它被中斷轉向執行優(yōu)先級更高的任務(wù)；⑥高優(yōu)先級任務(wù)結束，內核切換到低優(yōu)先級任務(wù)；⑦低優(yōu)先級任務(wù)繼續執行。

二、多任務(wù)

利用實(shí)時(shí)內核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)系統程序，要根據明確的設計目的確認系統功能，將系統功能合理分解，構造不同的任務(wù)，使每個(gè)任務(wù)負責完成應用要求的一部分功能；并根據任務(wù)相對于其他任務(wù)的重要性決定其優(yōu)先級。多個(gè)任務(wù)彼此獨立運行，具有獨立的私有堆?？臻g，在被其他進(jìn)程搶占時(shí)能夠保持任務(wù)執行線(xiàn)程的上下文。

1.任務(wù)

任務(wù)是單線(xiàn)程序列指令形成的一個(gè)無(wú)限循環(huán)，在系統程序中用函數表示（如下）。任務(wù)執行時(shí)要調用內核提供的服務(wù)，以等待某個(gè)事件發(fā)生。事件可以是定時(shí)間，或者是另一個(gè)任務(wù)、一個(gè)中斷服務(wù)例程發(fā)出事件通知。

Void Task (void)

{

While (true) {

Run Application-specific codes;

Wait for event by calling a service provided by the kernel;

Run Application - specific codes;

}

}

2.任務(wù)管理

每個(gè)任務(wù)有5種狀態(tài)；休眠、就緒、運行、等待、中斷。圖3所示為任務(wù)之間的狀態(tài)轉換。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲器中，還未被內核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準備執行，優(yōu)先級低于當前執行的任務(wù)，沒(méi)有得到CPU控制權；任務(wù)得到CPU控制權后就處于運行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務(wù)處于等待狀態(tài)，事件可以是I/O操作完成、共享資源可以利用、時(shí)鐘脈沖發(fā)生等；任務(wù)執行過(guò)程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。

實(shí)時(shí)內核通過(guò)任務(wù)控制塊（TCB）管理任務(wù)。TCB數據結構中包括任務(wù)的狀態(tài)、優(yōu)先、指向任務(wù)棧頂的指針、以及其他與內核有關(guān)的信息。程序調用內核服務(wù)（如調用內核函數OSTaskCreate）創(chuàng )建任務(wù)，為此任務(wù)在內存中分配一個(gè)TCB、進(jìn)行初始化，使任務(wù)從休眠狀態(tài)轉變到就緒狀態(tài)。任務(wù)可以在多任務(wù)執行之前靜態(tài)創(chuàng )建，也可以在多任務(wù)執行過(guò)程動(dòng)態(tài)創(chuàng )建。

內核為實(shí)時(shí)多任務(wù)應用程序提供任務(wù)調度和轉換、任務(wù)間通信、定時(shí)順等服務(wù)，并作為系統調用提供給任務(wù)使用。實(shí)時(shí)內核以事件為基礎、根據任務(wù)執行狀態(tài)對任務(wù)進(jìn)行切換，任務(wù)的狀態(tài)也隨之相應改變。在實(shí)時(shí)多任務(wù)程序中，內存中存在多個(gè)任務(wù)控制塊以及各個(gè)任務(wù)獨立的私有堆棧。進(jìn)行任務(wù)切換首先要保存CPU寄存器內容到當前任務(wù)堆棧，將堆棧指針保存到當前任務(wù)的TCB中，然后從新任務(wù)的TCB中裝載堆棧指針，并將新任務(wù)上下文裝載到CPU寄存器中。這樣就從一個(gè)任務(wù)轉換到另一個(gè)任務(wù)運行。任務(wù)使用這時(shí)內核提供的定時(shí)器系統調用，可以保持休眠狀態(tài)一段時(shí)間，或者等待一段時(shí)間后成為就緒狀態(tài)。在實(shí)時(shí)嵌入式系統中，外部中斷事件產(chǎn)生的任務(wù)具有高優(yōu)先級，因而以搶占方式獲得CPU控制權。

三、任務(wù)構造

1.I/O任務(wù)構造

根據3種不同的I/O事件；中斷驅動(dòng)事件、輪詢(xún)事件、輸出事件來(lái)構造I/O任務(wù)。輪詢(xún)事件通常由1個(gè)任務(wù)實(shí)現，實(shí)時(shí)內核以固定周期對此任務(wù)進(jìn)行調度，輸出事件常被設計為可重入程序而不是任務(wù)；中斷驅動(dòng)事件是一類(lèi)典型的異步事件。

下面將以1個(gè)簡(jiǎn)單的串行設備驅動(dòng)程序來(lái)說(shuō)明I/O分解，突出I/O任務(wù)構造的重要特征。此設備分配得到1個(gè)中斷向量，在3種情況下產(chǎn)生中斷：接收到字符、輸出就緒、設備出錯。因為采用搶占式內核，在I/O中斷發(fā)生進(jìn)入中斷處理例程以后，程序要保存處理器狀態(tài)，并根據不同的中斷原因進(jìn)行任務(wù)調度；在中斷處理完成退出中斷處理例程之前，還要恢復處理器狀態(tài)。

設備中斷處理：

IF 接收到字符THEN

將字符放入字符接收隊列；

執行接收任務(wù)；

IF 輸出就緒 THEN

IF 繼續輸出 THEN

送下一個(gè)字符；

ELSE

保存"設備輸出就緒"情況；

IF 設備出錯 THEN

將錯誤狀態(tài)放入錯誤隊列；

執行出錯處理任務(wù)；

接收任務(wù)：

Void Task_receive()

{

While (true){

Wait on input char queue;

If end of input string then

Process input string;

Else

Save input;

}

}

對于中斷事件要合理劃分事件的處理級別，盡可能多地在任務(wù)級處理，從而最小化系統中斷延遲。對這個(gè)串行設備驅動(dòng)中斷的處理就是一個(gè)劃分事件到中斷級和任務(wù)級處理的例子。中斷服務(wù)例程及時(shí)響應實(shí)時(shí)中斷，將實(shí)時(shí)要求相對低一些的事件（如字符出錯、出錯狀態(tài)處理）交給不同的任務(wù)處理。隊列是內核提供的一種任務(wù)間通信結構，支持消息發(fā)送者和接收者異步訪(fǎng)問(wèn)。在這里用于驅動(dòng)程序和任務(wù)之間的通信，為驅動(dòng)程序進(jìn)程和任務(wù)進(jìn)程提供消息緩沖。設備驅動(dòng)程序負責及時(shí)響應中斷事件，并不關(guān)心接收任務(wù)的狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化接收任務(wù)的結構，減小系統延遲，這里將出錯處理劃分為獨立的任務(wù)，分配不同的優(yōu)先級。

2.內部任務(wù)構造

系統內部任務(wù)可以分為：①周期性任務(wù)--實(shí)時(shí)內核基于固定周期調度的任務(wù)；②異步任務(wù)--非周期或事件驅動(dòng)的任務(wù)，內核根據需要進(jìn)行調度，用于處理系統內部產(chǎn)生的事件；③控制對象--為狀態(tài)機創(chuàng )建的控制任務(wù)，用于實(shí)現狀態(tài)轉換；④用戶(hù)接口⑤--對應于用戶(hù)任務(wù)，在用戶(hù)驅動(dòng)的系統中，用戶(hù)任務(wù)是具有高優(yōu)先級。

在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統中，大部分任務(wù)是非周期或事件驅動(dòng)的異步任務(wù)，其函數形式如下：

Void Task_aperiodic ()

{

While (true){

Wait on an async data structure;

Process input;

Process output;

}

}

在異步任務(wù)中，驅動(dòng)任務(wù)的異步數據是由實(shí)時(shí)內核提供的任務(wù)間通信數據。內核為應用程序提供信號量、消息隊列、消息郵箱、插口或管道等結構，進(jìn)行事件管理和任務(wù)間通信。設計這些異步任務(wù)時(shí)采用合適的數據結構、正確定義數據能夠節省寶貴的調試時(shí)間，而且任務(wù)處理的函數不能太多，過(guò)于復雜，否則會(huì )增加調試的難度。

3.任務(wù)合并

利用任務(wù)的共同特征進(jìn)行適當的任務(wù)合并，可以簡(jiǎn)化系統任務(wù)模型、減小系統復雜度、消除某些任務(wù)的切換開(kāi)銷(xiāo)從而減少系統總體開(kāi)銷(xiāo)。任務(wù)合并可分為：①根據時(shí)間一致合并，將同一事件激活的優(yōu)先級相同的函數合并在1個(gè)任務(wù)中；②根據控制一致合并，③根據函數一致合并，將幾個(gè)使用相同數據的函數合并，使原來(lái)共享的數據成為任務(wù)內的局部數據，從而減少互斥。

結束語(yǔ)

目前有許多廠(chǎng)商提供面向嵌入式應用領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），提供實(shí)時(shí)內核、輸入/輸出管理器、窗口系統、文件系統、網(wǎng)絡(luò )、語(yǔ)言接口庫、調試器和交叉平臺編譯器的軟件包。其中實(shí)時(shí)內核為嵌入式多任務(wù)程序提供最基本和最重要的功能。本文從利用實(shí)時(shí)內核開(kāi)發(fā)多任務(wù)應用程序的角度，對實(shí)時(shí)內核和任務(wù)進(jìn)行介紹，提出合理構造任務(wù)的方法?？梢钥吹?，利用實(shí)時(shí)內核提供的服務(wù)，采用正確的開(kāi)發(fā)方法，可以增加嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統的功能，降低開(kāi)發(fā)方法，可以增加嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統的功能，降低開(kāi)發(fā)難度。