基于μC/OSⅡ的實(shí)時(shí)任務(wù)模型研究與應用

　　0 引 言

　　由于實(shí)時(shí)程序運行機制與傳統程序相比具有獨特性，在實(shí)時(shí)應用程序開(kāi)發(fā)和相關(guān)教學(xué)實(shí)踐中，如何根據應用需求和系統功能設計，確立實(shí)時(shí)程序結構，完成代碼的設計與實(shí)現則是一個(gè)首要的、關(guān)鍵的問(wèn)題。軟件設計者常因缺乏簡(jiǎn)易、實(shí)用的實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)基本方法，難以快速建立全面、系統的開(kāi)發(fā)思路和實(shí)施步驟?，F有實(shí)時(shí)內核技術(shù)及其應用軟件開(kāi)發(fā)資料篇幅較大，技術(shù)細節多，學(xué)習周期長(cháng)，可操作性較差，一定程度上影響軟件開(kāi)發(fā)者的工作進(jìn)度。需要一種簡(jiǎn)便易行、行之有效、可操作性強的開(kāi)發(fā)方法，以便為快速全面了解、掌握實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)流程提供指南。

　　為此，通過(guò)分析實(shí)時(shí)軟件核心技術(shù)，結合μC／OsⅡ實(shí)時(shí)操作系統內核，提出一個(gè)實(shí)時(shí)程序任務(wù)模型。依據該模型，確立實(shí)時(shí)任務(wù)功能及處理流程，調用實(shí)時(shí)內核，確立一個(gè)實(shí)時(shí)應用程序基本結構，實(shí)現實(shí)時(shí)程序運行機制，最終完成一個(gè)實(shí)時(shí)應用軟件的設計與實(shí)現，并提供一個(gè)簡(jiǎn)單范例應用該任務(wù)模型。

　　1 實(shí)時(shí)軟件技術(shù)及實(shí)時(shí)軟件構成

　　實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境一般采用實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)作為系統開(kāi)發(fā)和運行支持平臺，支持模塊化開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，便于程序的調試、維護，使實(shí)時(shí)性能得到保證，系統穩定可靠。RTOS為每個(gè)任務(wù)建立一個(gè)可執行環(huán)境，并可方便地在任務(wù)間傳遞消息，在中斷處理程序和任務(wù)間傳遞事件，根據任務(wù)優(yōu)先級實(shí)施搶占調度。

　　從實(shí)時(shí)操作系統(Real-time OS)的內核功能、實(shí)現方法和運行機制可得其目標包括：按照搶占優(yōu)先級策略控制管理實(shí)時(shí)應用程序每個(gè)并發(fā)任務(wù)的運行；每個(gè)任務(wù)在多長(cháng)時(shí)限可以完成或得到響應。任務(wù)時(shí)限(dead-line)是實(shí)現每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)必備的性能指標。

　　時(shí)限可以分為硬時(shí)限(Hard Deadline)和軟時(shí)限(Soft Deadline)。具有硬截止時(shí)間的任務(wù)即為關(guān)鍵任務(wù)，如果不能滿(mǎn)足時(shí)限，則視為系統錯誤。根據任務(wù)設置的重要程度，將擁有關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)系統稱(chēng)為硬實(shí)時(shí)系統，否則稱(chēng)為軟實(shí)時(shí)系統。

　　硬實(shí)時(shí)技術(shù)應用廣泛。例如：航空導航、武器控制等應用系統，必須使用實(shí)現硬實(shí)時(shí)技術(shù)的操作系統，將計算、存儲、顯示和機電控制系統以嚴格時(shí)限組合為一個(gè)系統。軟實(shí)時(shí)系統運行方式與硬實(shí)時(shí)系統基本相同，區別在于只須滿(mǎn)足統計意義上的實(shí)時(shí)要求。軟實(shí)時(shí)系統一般要求滿(mǎn)足時(shí)限的概率達到90％。比如，媒體播放系統一般要求1 s播放24幀圖像。如果數據在數據嚴重負載的情況下，不能在1 s內處理24幀，造成播放失真。如果DVD播放正確率達到95％，用戶(hù)就能基本滿(mǎn)意。

　　實(shí)時(shí)應用系統能否滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性能的要求，可從以下指標進(jìn)行考察。

　　1．1 中斷延遲

　　從一個(gè)外部事件發(fā)生到響應中斷處理函數的第一條指令開(kāi)始執行，這段時(shí)長(cháng)稱(chēng)為中斷延遲。很多實(shí)時(shí)任務(wù)由中斷驅動(dòng)執行，中斷事件必須在限定的時(shí)限內處理，否則將產(chǎn)生嚴重后果。

　　例如，設定烤箱溫度達到300℃時(shí)自動(dòng)切斷電源。從傳感器探測到該極限溫度，到系統進(jìn)入切斷電源的中斷處理程序，其間系統處理這個(gè)時(shí)長(cháng)即為中斷延遲。顯然，這個(gè)時(shí)長(cháng)對烤箱設備的使用安全至關(guān)重要。

　　1．2 搶占延遲

　　從一個(gè)外部事件發(fā)生到處理該事件任務(wù)的第一條指令開(kāi)始執行，這段時(shí)長(cháng)稱(chēng)為搶占延遲。大多數實(shí)時(shí)系統都是處理一些周期性或非周期性的重復事件，事件觸發(fā)任務(wù)執行。每當事件發(fā)生，相應的處理任務(wù)必須及時(shí)得到調度執行，否則將無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)限。搶占延遲反映系統響應的及時(shí)程度。

　　例如：μC／OSⅡ某實(shí)時(shí)應用程序有如下功能，按照設定周期，需要運行統計任務(wù)對程序運行部分結果進(jìn)行統計，從時(shí)鐘到時(shí)，事件發(fā)生，到統計任務(wù)開(kāi)始運行這段時(shí)間即為搶占延遲，這個(gè)時(shí)長(cháng)決定統計結果誤差的大小。

　　圖1表示實(shí)時(shí)軟件設計編程和運行層次結構。該圖對實(shí)現實(shí)時(shí)應用程序功能設計接口和運行機制進(jìn)行層次劃分。指明基于操作系統內核進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)的編程層次和接口。從而形成實(shí)時(shí)應用程序內部結構。

　　實(shí)現具體實(shí)時(shí)應用業(yè)務(wù)邏輯一般采用分解任務(wù)的方法。將一個(gè)實(shí)時(shí)應用功能劃分為多個(gè)并發(fā)執行的任務(wù)。分配任務(wù)不同的優(yōu)先級，賦予任務(wù)自主延遲功能，進(jìn)行必要的任務(wù)通信，設置關(guān)鍵任務(wù)的中斷響應。明確任務(wù)的執行條件、中斷條件和掛起條件等因素。每個(gè)任務(wù)是系統中一個(gè)獨立的執行調度單位和資源分配單位。如圖1所示，調用RTOS內核系統函數接口，創(chuàng )建實(shí)時(shí)任務(wù)；任務(wù)的運行從接受內核調度開(kāi)始，按照自身流程設計循環(huán)執行，直至系統運行結束。

　　通過(guò)對實(shí)時(shí)應用功能劃分及運行技術(shù)分析研究，總結出實(shí)時(shí)應用的基本構成單位和基本功能實(shí)現方法，如圖2所示。

　　2 基于μC／OSⅡ內核的實(shí)時(shí)任務(wù)模型

　　μC／OSⅡ嵌入式操作系統是一個(gè)多任務(wù)、優(yōu)先級搶占、可移植、可裁減的實(shí)時(shí)內核。具有時(shí)間、內存、信號量、郵箱和信息隊列等各類(lèi)功能函數，各任務(wù)間可以互相通訊，適用于小型CPU，開(kāi)源代碼簡(jiǎn)練，應用領(lǐng)域廣泛。

　　μC／OSⅡ操作系統以系統函數形式提供各類(lèi)管理功能，以任務(wù)為單位對應用代碼進(jìn)行管理。應用程序調用系統函數編碼，并進(jìn)行編譯、鏈接、運行。應用代碼與內核構成一個(gè)整體。實(shí)時(shí)軟件編碼的核心問(wèn)題在于將應用軟件的具體功能轉化為系統中一個(gè)個(gè)并發(fā)執行的實(shí)時(shí)任務(wù)，接受操作系統內核調度程序的調度和管理，使應用功能最終實(shí)現。

　　基于μC／OSⅡ實(shí)時(shí)操作系統內核進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)，首要的工作在于如何將應用程序中的功能進(jìn)行模塊分解，使每個(gè)模塊轉換為可并發(fā)執行的任務(wù)；調用內核完成任務(wù)流程的設計與實(shí)現；啟動(dòng)操作系統內核的任務(wù)調度程序，并發(fā)執行任務(wù)。

　　由于實(shí)時(shí)應用程序的開(kāi)發(fā)既要考慮內核功能及接口，也要設計應用邏輯功能。設計一個(gè)任務(wù)模型，直接服務(wù)于實(shí)時(shí)應用程序的設計與實(shí)現。該模型對設計與實(shí)現的全過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分解，對各個(gè)環(huán)節進(jìn)行功能設計與實(shí)現，引導用戶(hù)將設計功能轉換為應用程序。

　　圖3提供了任務(wù)模型框架與構建基本步驟。

　　2．1 任務(wù)分解

　　任務(wù)分解是將一個(gè)實(shí)時(shí)應用業(yè)務(wù)邏輯，按照任務(wù)的管理和控制接口劃分為若干獨立的任務(wù)，并發(fā)運行，實(shí)現應用功能。簡(jiǎn)單地分為設計階段和編碼階段。

　　2．1．1 設計階段

　　(1)根據應用程序功能需求，將應用程序功能劃分為若干并發(fā)任務(wù)。首先將需要并發(fā)執行的子功能確立為任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級按響應的迫切程度確定。

　　(2)確定每個(gè)任務(wù)處理流程，確保完成任務(wù)功能。

　　(3)確定任務(wù)功能實(shí)現是否與其他任務(wù)的執行有關(guān)聯(lián)。

　　2．1．2 編碼階段

　　(1)完成每個(gè)任務(wù)的程序設計。將任務(wù)流程使用C語(yǔ)言編寫(xiě)為獨立的函數。根據應用需求，不同的任務(wù)也可共用同一個(gè)函數的代碼段。

　　(2)實(shí)時(shí)任務(wù)需確定優(yōu)先級。為確保低優(yōu)先級任務(wù)有機會(huì )運行，每個(gè)任務(wù)函數中需包括睡眠、掛起、等待指定時(shí)間等一些自主放棄CPU的語(yǔ)句，調用內核函數實(shí)現。

　　2．2 任務(wù)通信

　　實(shí)時(shí)任務(wù)間存在互相合作或競爭關(guān)系。μC／OSⅡ實(shí)時(shí)操作系統內核允許并發(fā)任務(wù)間通過(guò)事件、信號量、消息郵箱、消息隊列進(jìn)行通信。實(shí)現分為兩步：定義通信事件數據類(lèi)型及初始化；任務(wù)編碼中適時(shí)調用發(fā)送和接收函數。

　　(1)創(chuàng )建任務(wù)前，調用內核，定義需要的通信機制數據結構。

　　(2)發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)調用內核任務(wù)通信函數實(shí)現編碼，發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)可有多個(gè)。

　　2．3 任務(wù)創(chuàng )建

　　將編碼完成的任務(wù)函數，通過(guò)調用內核函數，轉換為內核可調度的任務(wù)。系統函數INT8U OSTa-skCreate(void(*task)(void*pd)，void*pdata，OSSTK*ptos，INT8U prio)的輸人數據為：任務(wù)代碼指針——任務(wù)函數名；創(chuàng )建任務(wù)運行時(shí)傳遞的指針——可為空值；任務(wù)堆棧棧頂指針——任務(wù)現場(chǎng)數據；任務(wù)優(yōu)先級——確定任務(wù)關(guān)鍵程度。

　　2．4 任務(wù)性能

　　為確保實(shí)時(shí)應用程序的實(shí)時(shí)特性，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)軟件的性能需求，必須要求實(shí)時(shí)內核能夠控制每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的響應時(shí)間和執行時(shí)間。

　　任務(wù)的響應時(shí)間可利用系統內部定時(shí)器計算，根據任務(wù)的執行順序，在起始任務(wù)開(kāi)啟定時(shí)器，在結束任務(wù)停止計時(shí)，經(jīng)反復調試，可以測定實(shí)時(shí)任務(wù)的響應時(shí)間，一般設為計時(shí)最大值，可為確定任務(wù)搶占延遲時(shí)間提供直接數據。

　　任務(wù)執行時(shí)間的測定方法類(lèi)似。在任務(wù)執行代碼起始位置開(kāi)啟定時(shí)器；在一個(gè)任務(wù)周期結束時(shí)停止計時(shí)。反復調試，測得的最大值計為任務(wù)的執行時(shí)間，又為一個(gè)任務(wù)最長(cháng)的一個(gè)執行周期，也為控制單個(gè)任務(wù)功能的執行提供依據。

　　2．5 任務(wù)與μC／OSⅡ實(shí)時(shí)內核連接

　　實(shí)時(shí)應用程序主函數是整個(gè)應用程序的執行入口。該函數將應用代碼和操作系統內核代碼進(jìn)行連接，形成一個(gè)完整的應用代碼。主函數一般由以下步驟組成，μc／oSⅡ內核均提供系統函數支持。

　　(1)初始化μC／OSⅡ操作系統內核；

　　(2)保存DOS環(huán)境；

　　(3)安裝μC／OSⅡ中斷等環(huán)境參數；

　　(4)根據需要創(chuàng )建信號量集；

　　(5)創(chuàng )建多個(gè)應用程序任務(wù)；

　　(6)啟動(dòng)多任務(wù)管理(任務(wù)調度程序)運行。

　　3 μC／oSⅡ實(shí)時(shí)任務(wù)模型的應用

　　交通信號燈控制系統是一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)時(shí)應用系統。該系統根據時(shí)間控制十字路口信號燈的自動(dòng)轉換，其基本功能具有實(shí)時(shí)系統的基本特點(diǎn)。應用實(shí)時(shí)任務(wù)模型進(jìn)行該系統的設計與實(shí)現。

　　3．1 系統功能、任務(wù)分解、任務(wù)通信

　　(1)應用程序功能說(shuō)明

　　十字路口交通信號燈控制十字路口的車(chē)輛通過(guò)或停止。篇幅所限，控制方式簡(jiǎn)述如下：東西向綠燈亮時(shí)，南北向紅燈亮，反之亦然，車(chē)輛按同方向燈控制通過(guò)。

　　(2)任務(wù)分解說(shuō)明

　　設置兩個(gè)任務(wù)分別表示東西向燈task_ew和南北向燈task_ sn。東西向燈任務(wù)和南北向燈任務(wù)優(yōu)先級不同。東西向燈任務(wù)功能：申請南北向燈任務(wù)的同步信號量s_ sn，顯示綠燈指定時(shí)間，設定顯示紅燈指定時(shí)間，向南北任務(wù)發(fā)送同步信號量；南北向燈任務(wù)功能：申請東西向燈任務(wù)的同步信號量s_ew，顯示綠燈指定時(shí)間，設定顯示紅燈指定時(shí)間，向東西向任務(wù)發(fā)送同步信號量；兩個(gè)任務(wù)通過(guò)兩個(gè)信號量保持同步切換機制。

　　(3)任務(wù)間通信

　　根據任務(wù)分解得知，創(chuàng )建兩個(gè)信號量，南北向燈信號量s_sn，初值＝1；東西向燈信號量s_ew，初值＝O。這樣，通過(guò)任務(wù)代碼申請信號量的順序，可以將十字路口信號燈控制為如下順序和變化周期：東西向信號燈綠燈一東西向信號燈紅燈一南北向信號燈綠燈一南北向信號燈紅燈。

　　(4)任務(wù)代碼

　　東西向燈任務(wù)代碼task_ew()簡(jiǎn)要流程如下，以下代碼為無(wú)限循環(huán)代碼。

　?、僬{用內核系統函數申請南北向燈信號量；

　?、跂|西向顯示綠燈，南北向顯示紅燈；

　?、壅{用內核函數，任務(wù)睡眠指定時(shí)間；

　?、苷{用內核系統函數發(fā)送東西向燈信號量。

　　南北向燈任務(wù)代碼task_sn()簡(jiǎn)要流程如下：以下代碼為無(wú)限循環(huán)代碼。

　?、僬{用內核系統函數申請東西向燈信號量；

　?、谀媳毕蝻@示綠燈，東西向顯示紅燈；

　?、壅{用內核函數，任務(wù)睡眠指定時(shí)間；

　?、苷{用內核系統函數發(fā)送南北向燈信號量。

　　3．2 任務(wù)創(chuàng )建

　　(1)任務(wù)函數代碼編碼完成后，調用系統函數0S-TaskCreate()創(chuàng )建任務(wù)task_sn和task_ew。

　　(2)每個(gè)應用任務(wù)的優(yōu)先級不同，為了使任務(wù)按照設定的時(shí)間進(jìn)行紅綠燈顯示切換，每個(gè)任務(wù)自動(dòng)設定睡眠若干時(shí)間，任務(wù)在睡眠狀態(tài)下顯示狀態(tài)保持不變。

　　3．3 任務(wù)與uC／OSⅡ實(shí)時(shí)內核連接

　　應用程序主函數的主要流程設計如下：

　　3．4 實(shí)時(shí)任務(wù)性能指標

　　若該應用系統具有信號燈自動(dòng)控制改為手動(dòng)控制，再由手動(dòng)改為自動(dòng)控制功能，需要進(jìn)行如下設計：

　　(1)中斷延遲

　　設置一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)代表手動(dòng)控制狀態(tài)。當按下按鍵時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷事件必須在時(shí)限內處理，睡眠上述兩個(gè)紅綠燈任務(wù)，將執行切換到手動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)。當需要切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按下對應按鍵時(shí)產(chǎn)生中斷，處理該中斷，睡眠手動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)，喚醒兩個(gè)紅綠燈任務(wù)。這兩個(gè)中斷延遲時(shí)間對信號燈控制系統是很重要的性能指標，直接影響路口控制方式的切換是否順暢。

　　(2)搶占延遲

　　有時(shí)根據交通流量變化，需要調整十字路口雙方向紅綠燈的切換時(shí)間。設置一個(gè)時(shí)間調整任務(wù)，該任務(wù)優(yōu)先級較高，可根據每星期各天、各時(shí)段路口情況進(jìn)行周期性動(dòng)態(tài)時(shí)間調整。按指定時(shí)間觸發(fā)事件，調度該任務(wù)執行。事件產(chǎn)生的頻度就確定了該任務(wù)的執行時(shí)限，因此每次事件發(fā)生時(shí)，相應的處理任務(wù)必須及時(shí)響應處理，否則不滿(mǎn)足時(shí)限要求，路口將陷于無(wú)控制狀態(tài)。搶占延遲就反映了系統的響應及時(shí)程度。

　　4 結 語(yǔ)

　　提出的根據實(shí)時(shí)任務(wù)模型構建實(shí)時(shí)應用程序的方法，為基于嵌入式實(shí)時(shí)內核μC／OSⅡ構建應用程序，提供了一個(gè)簡(jiǎn)明、方便的技術(shù)思路和實(shí)現方法，該模型為實(shí)時(shí)應用程序開(kāi)發(fā)提供一個(gè)實(shí)用解決方案。從應用程序范例的設計實(shí)現可得到隨應用系統需求的改變；實(shí)時(shí)任務(wù)可動(dòng)態(tài)進(jìn)行增刪；模塊可拆卸。該方案已在我校計算機學(xué)院的教學(xué)實(shí)踐中使用，具有較好的可操作性，開(kāi)拓了軟件開(kāi)發(fā)的新視角。