μC/OS-II的多任務(wù)系統實(shí)時(shí)性分析與優(yōu)先級分配

引言

　　μC/OS-II作為一種輕量級的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，正隨著(zhù)嵌入式微處理器性能的不斷提高和外圍資源（主要是存儲器資源）的不斷增加，得到越來(lái)越多的應用。例如，原來(lái)的51系列單片機，限于6~12 MHz的主頻、12個(gè)Clock的機器周期以及有限的存儲器資源，使用μC/OS-II會(huì )大大加重系統負擔，使應用程序的運行受到影響，特別在快速A/D轉換等實(shí)時(shí)性較強的場(chǎng)合，無(wú)法得到及時(shí)的響應，于是才有了更輕量級的Small RTOS等操作系統的出現。

　　但目前更強勁的51內核版本微處理器的大量出現，從根本上改變了這種情況。40 MHz以上的主頻，單周期指令的微處理器，加上64 KB的程序空間和8 KB以上的數據空間，這樣的系統已經(jīng)可以流暢地運行μC/OS-II[1]。μC/OS-II的移植版本很多，選擇一個(gè)適合系統CPU的版本，然后進(jìn)行正確的配置和優(yōu)化是非常重要的。

1 系統實(shí)時(shí)性分析

　　本系統工作原理是在恒定溫度條件下，任意啟動(dòng)4個(gè)測試通道來(lái)進(jìn)行多個(gè)項目的并行分析，每個(gè)測試通道的工作流程完全相同，如圖1所示。

　　C8051F120集成了8路12位高速A/D轉換器（ADC0）和8路8位高速A/D轉換器（ADC2）。系統要求對4個(gè)光學(xué)傳感器輸出進(jìn)行采樣，ADC0可以構成4個(gè)差分測試通道以滿(mǎn)足需求。系統還要求能對2路溫度實(shí)現實(shí)時(shí)控制，用于監控2個(gè)外部溫度傳感器的輸出電壓： 一個(gè)保證測試部分的溫度恒定在37±0.2 ℃，通過(guò)對加熱組件的PWM控制來(lái)完成；另一個(gè)用于監測機箱溫度，在32 ℃以上時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，30 ℃以下關(guān)閉風(fēng)扇。
　　

　　　　　　　　圖1 通道工作流程

　　從圖1中可以看出，完整的流程包括信息輸入、樣本預溫、通道啟動(dòng)、試劑添加、微分測量、結果處理6個(gè)階段。其中前4個(gè)屬于操作階段，操作者通過(guò)每個(gè)通道的進(jìn)度條、轉動(dòng)條和狀態(tài)標志塊，在LCD界面上獲得明確的操作指示，確保每個(gè)通道的正確操作。

　　要求在通道啟動(dòng)后，能精確地每隔0.1 s完成一次采樣并處理數據，所以每個(gè)通道的最長(cháng)處理時(shí)間不能超過(guò)25 ms，且軟件微分法需要較高的A/D轉換精度和穩定性。C8051F120中的A/D最高采樣速率可達100 ksps，約10 μs/次，因此可采用過(guò)采樣后的高平滑，同時(shí)提高精度和穩定性。簡(jiǎn)單地計算，如果每個(gè)通道采樣1 024次后平均計算，則4個(gè)通道的A/D總速率為：ADMAX=1 024×4×10=40 ksps。

　　理論上來(lái)說(shuō)，即使把采樣次數再加倍，仍然略小于100 ksps，但考慮到每次A/D中斷后，中斷服務(wù)程序都要簡(jiǎn)單地處理采樣數據，然后才能啟動(dòng)下一次A/D轉換，所以實(shí)際轉換速度是不能達到100 ksps的。通過(guò)調試，合理的選擇為每個(gè)采樣點(diǎn)取1 024次平滑濾波。實(shí)際處理中，把A/D轉換精度從12位擴展到了16位，以滿(mǎn)足0~2 000 mV范圍內0.1 mV的精度和穩定性，這可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變求均值時(shí)的右移次數和擴大滿(mǎn)量程基數來(lái)完成[2]。

　　除了實(shí)時(shí)性的要求必須得到嚴格滿(mǎn)足外，有很多因素需要一并考慮。例如每個(gè)通道測試過(guò)程中的圖形動(dòng)態(tài)顯示，通道測試過(guò)程中的鍵值交叉處理，獨立于測試之外的實(shí)時(shí)溫度控制，耗時(shí)較多的測試結果傳送和打印等，這些人為操作和功能處理均不能中斷，或影響正在測試的通道每0.1 s一次的數據采樣。另外，還必須提供一項強制結束功能：在任何測試階段按Exit鍵，確認后可退出所有測試。

　　總體上看，系統在各個(gè)通道共用1個(gè)鍵盤(pán)、1個(gè)串口、1個(gè)打印機、1個(gè)LCD顯示器、1個(gè)A/D轉換器的條件下，能進(jìn)行獨立控制，互不干擾地進(jìn)行各自的測試、計算、顯示、傳送和輸出，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和并行性要求。

2 內存分配

　　μC/OS-II最多有64個(gè)任務(wù)優(yōu)先級，根據版本的不同可供用戶(hù)使用的優(yōu)先級有56~62個(gè)。每個(gè)任務(wù)優(yōu)先級不能相同，最大優(yōu)先級數即用戶(hù)的最大任務(wù)數[1]。

　　每個(gè)任務(wù)必須有自己的任務(wù)棧，任務(wù)棧由系統物理?？截悈^和模擬棧兩部分組成，是μC/OS-II移植的核心內容[3-4]，因此任務(wù)的多少直接影響數據RAM的需求。在本系統中，物理?？截悈^為64字節，模擬?？梢园才?6~64字節，這種可變大小任務(wù)棧稍后分析。

　　C8051F120微處理器帶有8 KB的RAM，系統沒(méi)有擴展外部數據存儲器。首先分析一下系統數據內存的需求情況：

　?、?系統顯示部分使用了240×128點(diǎn)陣的LCD模塊和圖形GUI，如果建立完整的顯示緩沖區，需要240/8×128=3 840字節，約4 KB的RAM空間；
　?、?Flash除了用作程序存儲器外，剩下的部分作為非易失性數據存儲器。每個(gè)Flash塊為1 KB，故需要1 KB的RAM作為Flash的讀寫(xiě)緩沖區；
　?、?GUI自身約占去了1 KB內存；
　?、?傳感器響應曲線(xiàn)需打印，其點(diǎn)坐標數據（對應打印機384個(gè)點(diǎn)行）約占1 KB。

　　以上共占用7 KB，最終僅剩下1 KB的RAM留給操作系統以及用戶(hù)函數，這顯然不夠?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化GUI的驅動(dòng)，去掉LCD的顯示緩沖區，增加4 KB的RAM，以滿(mǎn)足系統需要。

3 可變任務(wù)棧和任務(wù)劃分

3.1 可變大小任務(wù)棧

　　一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)嵌入式系統中不會(huì )建立60個(gè)以上的任務(wù)。從簡(jiǎn)單的角度考慮，應用μC/OS-II時(shí)，建立的所有任務(wù)均駐留不刪除，使用足夠大并且同樣大小的堆棧。這種處理任務(wù)的方法會(huì )對內存數量提出較高要求。例如50個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)棧均為128字節，則需要6 KB的RAM。

　　本著(zhù)這樣一個(gè)原則來(lái)改進(jìn)任務(wù)劃分：不需要駐留的任務(wù)運行完畢即刪除，可以自身刪除，也可以在別的任務(wù)里刪除。這種任務(wù)處理不僅可以重用任務(wù)優(yōu)先級，還可以重用任務(wù)堆棧，并且減少同時(shí)運行的任務(wù)數量。

　　刪除任務(wù)的辦法不僅可獲得共享的任務(wù)棧資源，而且也是一個(gè)方便中止某些應用程序的手段，前面提及的任何測試階段按Exit鍵退出所有測試的動(dòng)作，就可以依靠刪除任務(wù)來(lái)實(shí)現。

　　把任務(wù)看作有大小的，這里的“大小”指需要“重入”到任務(wù)堆棧的變量的數量。如果每一個(gè)任務(wù)都使用相同大小的任務(wù)棧，對小任務(wù)而言顯然是在浪費寶貴的RAM，大小可變的任務(wù)棧才是經(jīng)濟合理的。

　　首先，在os_cfg.h頭文件中增加大、小兩個(gè)宏參數，如果需要更多不同的棧大小，還可以繼續增加參數。

　　#define MaxStkSize128//大任務(wù)棧
　　#define MinStkSize80//小任務(wù)棧
　　然后定義任務(wù)棧時(shí)使用它們：
　　OS_STK TaskDelStk1[MinStkSize];
　　OS_STK TaskDelStk2[MaxStkSize];

　　TaskDelStk1和TaskDelStk2是兩個(gè)可刪除任務(wù)所使用的任務(wù)棧，一個(gè)80字節，另一個(gè)128字節。

　　接下來(lái)是關(guān)鍵，要在任務(wù)堆棧初始化函數OSTaskStkInit中進(jìn)行處理：定義一個(gè)全局整型變量STK_SIZE，創(chuàng )建任務(wù)前給它賦值，任務(wù)創(chuàng )建時(shí)執行的OSTaskStkInit函數用它來(lái)初始化模擬棧的長(cháng)度。

　　修改前，OSTaskStkInit中的?C_XBP仿真堆棧指針（即模擬棧指針）的初始化語(yǔ)句如下：

　　*stk++ = (INT16U) (ptos + MaxStkSize) >> 8;//MaxStkSize是固定的棧長(cháng)度
　　*stk++ = (INT16U) (ptos + MaxStkSize) 0xFF;

　　注意：ptos是任務(wù)棧棧底，模擬棧從任務(wù)堆棧的另一頭開(kāi)始。

　　修改后變?yōu)椋?/p>

　　*stk++ = (INT16U) (ptos + STK_SIZE) >> 8;//指針高8位
　　*stk++ = (INT16U) (ptos + STK_SIZE) 0xFF;//指針低8位

　　創(chuàng )建任務(wù)前要給STK_SIZE賦予堆棧定義匹配的棧長(cháng)度值，否則，會(huì )因為堆棧不能正確初始化導致任務(wù)崩潰。不同大小的任務(wù)棧結構如圖2所示，可以看出區別在于模擬棧不同。
　　　　　　　　　　

圖2 可變大小任務(wù)棧結構

利用可變大小任務(wù)棧創(chuàng )建一個(gè)小堆棧任務(wù)，示例如下：

　　STK_SIZE=MinStkSize;//提供堆棧大小值
　　/*創(chuàng )建帶TimeLimit參數的，分配有任務(wù)棧TaskDelStk1，優(yōu)先級為10的任務(wù)OverTime*/
　　OSTaskCreate(OverTime,(void*)TimeLimit, TaskDelStk1[0],10);

3.2 系統任務(wù)劃分

　　用戶(hù)任務(wù)分為兩類(lèi)： 一類(lèi)任務(wù)是常駐任務(wù)，即創(chuàng )建后不用刪除的任務(wù)；另一類(lèi)是可刪除任務(wù)，運行時(shí)建立，運行完刪除，該任務(wù)資源又可用來(lái)創(chuàng )建新的任務(wù)。

4 任務(wù)優(yōu)先級分配

　　優(yōu)先級的合理分配圍繞實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行，因為可用優(yōu)先級較多，所以任務(wù)優(yōu)先級之間可取較大間隔。這樣當有更多的任務(wù)加入時(shí)，能安排在這些間隔中，不用改變已有任務(wù)的優(yōu)先級。本系統中優(yōu)先級關(guān)系可以按由高到低順序依次排列： 鍵盤(pán)掃描任務(wù)，超時(shí)檢測任務(wù)， A/D掃描轉換任務(wù)，主任務(wù)，各通道測試任務(wù)，數據打印和傳送任務(wù)，溫度檢測任務(wù)，日期時(shí)間顯示任務(wù)，如圖3所示。
　　

　　　　　　　圖3 任務(wù)關(guān)系示意圖

　 常駐任務(wù)一般是固定優(yōu)先級，而可刪除任務(wù)每一次創(chuàng )建時(shí)卻能夠對應不同的任務(wù)函數和優(yōu)先級，且使用同一個(gè)任務(wù)棧。

　　一個(gè)任務(wù)函數可用于多個(gè)任務(wù)，這種“重用”的特性在獲得任務(wù)并行性的同時(shí)，最大限度地節約了代碼。本系統只有一個(gè)測試函數，卻構成了4個(gè)并行的通道任務(wù)。這些任務(wù)都是進(jìn)入測試菜單后隨著(zhù)各自通道鍵被按下后在主任務(wù)中創(chuàng )建的，復用的4個(gè)測試函數接受任務(wù)創(chuàng )建時(shí)主任務(wù)傳遞過(guò)來(lái)的參數，為本通道的計算、顯示、數據存儲等一系列工作服務(wù)。

5 資源共享的處理
　　

ADC0、LCD、打印機和串口等資源被4個(gè)測試任務(wù)所共享。資源共享有一些經(jīng)典的方法（如信號量、全局變量等），需要根據實(shí)際需求靈活運用。

本系統的處理如下：
　　

① 對于A(yíng)DC0，在A(yíng)/D掃描轉換任務(wù)中每0.1 s輪流掃描4個(gè)通道一次，產(chǎn)生4個(gè)郵箱消息發(fā)往各自通道任務(wù)，以讀取對應的轉換結果。0.1 s的精確定時(shí)由定時(shí)器中斷獲得，中斷服務(wù)發(fā)出信號量啟動(dòng)AD任務(wù)。一次掃描完成后A/D掃描轉換任務(wù)掛起，直至下一次信號量到來(lái)。
　　

　?、?對于LCD，情況要復雜一些，每個(gè)測試任務(wù)都要在LCD的各自區域顯示，但是LCD不能實(shí)現2個(gè)以上位置同時(shí)進(jìn)行顯示處理，所以當涉及顯示過(guò)程時(shí)需要禁止任務(wù)切換，否則會(huì )造成顯示混亂。例如，當一個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)的顯示工作還沒(méi)有完成時(shí)，若發(fā)生了任務(wù)切換，則高優(yōu)先級任務(wù)去進(jìn)行另一個(gè)顯示。當重新切換回低優(yōu)先級任務(wù)后就沒(méi)有辦法繼續未完的顯示，因為顯示位置已經(jīng)被高優(yōu)先級任務(wù)所改變。
　　

　?、?對于打印機和串口，也有類(lèi)似的問(wèn)題，不允許一個(gè)結果尚未打印完成又去打印另一個(gè)結果。禁止任務(wù)切換的辦法不適合這里，因為打印和傳送耗時(shí)比LCD顯示長(cháng)很多，禁止任務(wù)切換會(huì )影響到測試的實(shí)時(shí)性，它們單獨建立后臺任務(wù)的原因也在于此。
　　

數據打印和傳送任務(wù)循環(huán)掃描各個(gè)通道的請求服務(wù)標志，當標志有效時(shí)即為該通道服務(wù)，服務(wù)完畢清除該標志，因數據打印和傳送任務(wù)的優(yōu)先級較低而不會(huì )對其他測試任務(wù)造成任何影響。被服務(wù)的通道測試任務(wù)循環(huán)檢測請求服務(wù)標志，檢測到標志被清除后才可以繼續下次測試，表示此次數據已經(jīng)輸出。其他高優(yōu)先級測試任務(wù)不會(huì )影響打印過(guò)程，因為先檢測到標志的通道獨占資源，直至傳送和打印完成后，打印任務(wù)才去檢測下一個(gè)標志；高優(yōu)先級任務(wù)的輸出請求要等低優(yōu)先級輸出完畢才能得到響應，優(yōu)先級反轉在這里是正確的。

6 結論
　　

本文從嵌入式系統的并行程序出發(fā)，結合實(shí)時(shí)性的要求，討論了μC/OS-II操作系統環(huán)境下的任務(wù)劃分和優(yōu)先級確定的相關(guān)問(wèn)題，提出了一些在μC/OS-II中用于減少資源耗用和同時(shí)運行的任務(wù)數量的改進(jìn)措施。實(shí)踐證明，這些措施可以充分發(fā)揮μC/OS-II小巧精悍的特點(diǎn)，提高程序代碼的重用性，節約寶貴的RAM資源。

本系統與采用雙通道測試、沒(méi)有RTOS、采用前后臺方式解決并行問(wèn)題的方法比較[5]，后者占用了54 KB代碼，在人機界面和并行度上均不及前者。前者在加入了μC/OS-II和GUI，并能進(jìn)行四通道測試的情況下，僅有59 KB代碼；排除更大的漢字庫容量后，實(shí)際代碼大小幾乎與原來(lái)相同，性能卻有了很大的提高。