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[導(dǎo)讀]嵌入式程序框架一般類似于程序1所示結(jié)構(gòu):系統(tǒng)中有3個任務(wù)——TaskA、TaskB、TaskC,均放置于主循環(huán)內(nèi),在每一個循環(huán)周期內(nèi)都被執(zhí)行一次。在這種結(jié)構(gòu)中,能滿足系統(tǒng)實(shí)時性要求的條件是: (當(dāng)且僅當(dāng))Task

嵌入式程序框架一般類似于程序1所示結(jié)構(gòu):系統(tǒng)中有3個任務(wù)——TaskA、TaskB、TaskC,均放置于主循環(huán)內(nèi),在每一個循環(huán)周期內(nèi)都被執(zhí)行一次。在這種結(jié)構(gòu)中,能滿足系統(tǒng)實(shí)時性要求的條件是: (當(dāng)且僅當(dāng))TaskA 、TaskB、TaskC三個任務(wù)的運(yùn)行時間之和要小于系統(tǒng)實(shí)時響應(yīng)的時間要求。在系統(tǒng)較為簡單、任務(wù)運(yùn)行時間能滿足實(shí)時要求的情況下,可以采用這種最簡單、最直接的順序執(zhí)行方式。但是更多的情形是,系統(tǒng)不僅要對一些事件做出實(shí)時響應(yīng),并且還要承擔(dān)很多其他的非實(shí)時任務(wù),并且這些非實(shí)時任務(wù)的運(yùn)行時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)時響應(yīng)時間的要求。傳統(tǒng)的這種程序結(jié)構(gòu)顯然不能滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求。通常的解決方案是,引入實(shí)時操作系統(tǒng),由操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度,優(yōu)先執(zhí)行實(shí)時任務(wù),達(dá)到滿足系統(tǒng)實(shí)時性的要求。

程序1嵌入式程序框架
  void main(void) {
    Init();
    while(1) {
      TaskA();
      TaskB();
      TaskC();
    }
  }
  void Interrupt_1(void) interrupt 1 {
    …
  }
  void Interrupt_2(void) interrupt 2 {
    …
  }

一般來說,在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中引入實(shí)時操作系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn):
  ◆ 更好地支持多任務(wù),實(shí)時性要求能夠得以保障;
  ◆ 程序開發(fā)更加容易,也更便于維護(hù);
  ◆ 有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。但是,操作系統(tǒng)的引入也將帶來較多的系統(tǒng)開銷:
  ◆ 實(shí)時操作系統(tǒng)往往使用定時器中斷來切換任務(wù),需要消耗不少的CPU處理時間;
  ◆ 實(shí)時操作系統(tǒng)在切換任務(wù)時需要保護(hù)當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行現(xiàn)場,這就需要為每個任務(wù)準(zhǔn)備足夠多的RAM空間來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換;
  ◆ 實(shí)時操作系統(tǒng)的本身也需要占用相當(dāng)數(shù)量的Flash空間和RAM空間。
  如果這些系統(tǒng)開銷都在可承受的范圍內(nèi),那么采用實(shí)時操作系統(tǒng)將是最佳的選擇。但是在很多應(yīng)用的場合,特別是系統(tǒng)的資源非常緊張的單片機(jī)應(yīng)用,實(shí)時操作系統(tǒng)帶來的系統(tǒng)開銷往往是不可接受的。而更換速度更快、RAM更大、Flash更多的CPU意味著成本的增加,且會降低產(chǎn)品的競爭力。當(dāng)系統(tǒng)中的任務(wù)不須進(jìn)行非常復(fù)雜的優(yōu)先級調(diào)度,而且其任務(wù)也相對簡單時,引入實(shí)時操作系統(tǒng)似有殺雞用牛刀之嫌。

1  Protothread的特點(diǎn)

Protothread是專為資源有限的系統(tǒng)設(shè)計的一種耗費(fèi)資源特別少并且不使用堆棧的線程模型,其特點(diǎn)是:
  ◆ 以純C語言實(shí)現(xiàn),無硬件依賴性;
  ◆ 極少的資源需求,每個Protothread僅需要2個額外的字節(jié);
  ◆ 可以用于有操作系統(tǒng)或無操作系統(tǒng)的場合;
  ◆ 支持阻塞操作且沒有棧的切換。

使用Protothread實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的最主要的好處在于它的輕量級。每個Protothread不需要擁有自已的堆棧,所有的 Protothread共享同一個堆??臻g,這一點(diǎn)對于RAM資源有限的系統(tǒng)尤為有利。相對于操作系統(tǒng)下的多任務(wù)而言,每個任務(wù)都有自已的堆棧空間,這將消耗大量的RAM資源,而每個Protothread僅使用一個整型值保存當(dāng)前狀態(tài)。

2  Protothread的阻塞運(yùn)行機(jī)制

以下是一個典型的Protothread程序示例:

程序2Protothread程序示例
  PT_THREAD(radio_wake_thread(struct pt *pt)) {
    PT_BEGIN(pt);
    while(1) {
      radio_on();
      timer_set(&timer, T_AWAKE);
      PT_WAIT_UNTIL(pt, timer_expired(&timer));
      timer_set(&timer, T_SLEEP);
      if(!communication_complete()) {
        PT_WAIT_UNTIL(pt, communication_complete()‖timer_expired(&timer));
      }
      if(!timer_expired(&timer)) {
        radio_off();
        PT_WAIT_UNTIL(pt, timer_expired(&timer));
      }
    }
    PT_END(pt);
  }

這是一個非常簡單的無線通信的狀態(tài)切換程序①,展開Protothread的宏定義,便可以得到程序3所示的展開代碼:

程序3Protothread宏展開代碼
  void radio_wake_thread(struct pt *pt) {
    switch(pt﹥lc) {
      case 0:
      while(1) {
        radio_on();
        timer_set(&timer, T_AWAKE);
        pt﹥lc = 8;
        case 8:
          if(!timer_expired(&timer)) {
            return;
          }
          timer_set(&timer, T_SLEEP);
          if(!communication_complete()) {
            pt﹥lc = 13;
            case 13:
            if(!(communication_complete() ||timer_expired(&timer))) {
              return;
            }
          }
          if(!timer_expired(&timer)) {
            radio_off();
            pt﹥lc = 18;
            case 18:
            if(!timer_expired(&timer)) {
              return;
            }
          }
        }
      }
    }

當(dāng)Protothread程序運(yùn)行到PT_WAIT_UNTIL時,判斷其運(yùn)行條件是否滿足,若不滿足,則阻塞。通過比對程序2和程序3的程序代碼可以得知,Protothread的阻塞其實(shí)質(zhì)就是函數(shù)返回,只不過在返回前保存了當(dāng)前的阻塞位置,待下一次Protothread被調(diào)用時,直接跳到阻塞位置執(zhí)行,再次判斷運(yùn)行條件是否滿足,并執(zhí)行后續(xù)程序或繼續(xù)阻塞。

3  利用Protothread構(gòu)造實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)

與操作系統(tǒng)下的多任務(wù)不同,操作系統(tǒng)下的每個任務(wù)可在任意時刻被打斷并阻塞,Protothread僅能在程序員指定位置阻塞。用Protothread實(shí)現(xiàn)實(shí)時多任務(wù),正是利用了Protothread在指定位置阻塞的特點(diǎn),讓出執(zhí)行權(quán)限給更高優(yōu)先級的任務(wù)先運(yùn)行。

下面舉例說明如何利用Protothread構(gòu)造實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)要求:
  TaskA實(shí)時任務(wù),30 ms內(nèi)響應(yīng),運(yùn)行時間<20 ms;
  TaskB實(shí)時任務(wù),200 ms內(nèi)響應(yīng),運(yùn)行時間<40 ms;
  TaskC非實(shí)時任務(wù),響應(yīng)時間無要求,運(yùn)行時間>30 ms。

設(shè)計思路:

將TaskB和TaskC分成若干步,每步運(yùn)行時間不超過10 ms(這個時間可視系統(tǒng)需求而定,例如TaskA若為40 ms內(nèi)響應(yīng),則每步可擴(kuò)至20 ms)。任務(wù)以3個Protothread的方式運(yùn)行。首先執(zhí)行TaskA,在TaskA執(zhí)行完成1次后,釋放執(zhí)行權(quán)限,讓TaskB和TaskC執(zhí)行。 TaskB或TaskC在每執(zhí)行1步之前檢查運(yùn)行時間,一旦發(fā)現(xiàn)30 ms內(nèi)不夠執(zhí)行1步時,阻塞運(yùn)行,讓出執(zhí)行權(quán)限給TaskA。同樣,TaskB和TaskC的調(diào)度關(guān)系也類似,先運(yùn)行TaskB,完成時釋放執(zhí)行權(quán)限,讓 TaskC執(zhí)行;TaskC在每執(zhí)行1步之前檢查運(yùn)行時間,若發(fā)現(xiàn)200 ms內(nèi)不夠執(zhí)行1步時,阻塞運(yùn)行,讓出執(zhí)行權(quán)限重新交給TaskB。

源程序(Task0TimeCounter、Task1TimeCounter為計數(shù)器,每毫秒加1):
  #include "ptsem.h"
  #define TASKA_MAX_RUN_TIME20
  #define TASKA_CYCLE_TIME30
  #define TASKB_CYCLE_TIME200
  #define TASK_STEP_TIME10
  #define TASK0_VALID_TIME TASKA_CYCLE_TIME?TASK_STEP_TIME
  #define TASK1_VALID_TIME TASKB_CYCLE_TIME?TASK_STEP_TIME?TASKA_MAX_RUN_TIME *2
  /*按照PT_WAIT_UNTIL 的宏定義擴(kuò)展一個新宏:當(dāng)程序進(jìn)入阻塞時發(fā)送一信號,告知高優(yōu)先級任務(wù)獲得執(zhí)行權(quán)限*/
  #define LC_STEP_SET(s,n) s = __LINE__ + n; case __LINE__ + n:
  #define PT_SEM_WAIT_UNTIL(pt, s, condition, n)\
    do {
      LC_STEP_SET((pt)﹥lc,n);
      if(!(condition)) {if((s)﹥count==0)
        PT_SEM_SIGNAL(pt,s);
        return PT_WAITING;
      }
    } while(0)
  struct pt TaskAPt;
  struct pt TaskBPt;
  struct pt TaskCPt;
  struct pt_sem SemRunTaskA;
  struct pt_sem SemRunTaskB;
  /*若30 ms內(nèi)已經(jīng)不夠時間執(zhí)行1步,則讓出TaskA的執(zhí)行權(quán)限*/
  #define TASKB_STEP(pt) \
    PR_SEM_WAIT_UNTIL(pt, & SemRunTaskA,TaskOTimeCounter<=TASKO_VALID_TIME,0)
  /*若200 ms內(nèi)已經(jīng)不夠時間執(zhí)行1步,則讓出TaskB的執(zhí)行權(quán)限*/
  /*若30 ms內(nèi)已經(jīng)不夠時間執(zhí)行1步,則讓出TaskA的執(zhí)行權(quán)限*/
  #define TASKC_STEP(pt) \
    PT_SEM_WAIT_UNTIL(pt, &SemRunTaskB,Task1TimeCounter<=TASK1_VALID_TIME,0);\
    PT_SEM_WAIT_UNTIL(pt, &SemRunTaskA,Task0TimeCounter<=TASK0_VALID_TIME,1)
  int ProtothreadTaskA(struct pt *pt) {
    PT_BEGIN(pt);
    PT_SEM_WAIT(pt, &SemRunTaskA);/*等待其他任務(wù)讓出執(zhí)行權(quán)限*/
    ResetTask0TimeCounter;/*對時間計數(shù)器置0*/
    TaskA();/*TaskA任務(wù)*/
    PT_END(pt);
  }
  int ProtothreadTaskB(struct pt *pt) {
    PT_BEGIN(pt);
    PT_SEM_WAIT(pt, &SemRunTaskB);/*等待TaskC讓出執(zhí)行權(quán)限*/
    ResetTask1TimeCounter;/*對時間計數(shù)器置0*/
    TASKB_STEP(pt);/*如果不夠1步執(zhí)行,則阻塞,讓出執(zhí)行權(quán)限*/
    TaskB_1();/*TaskB任務(wù)的第1步*/
    TASKB_STEP(pt);
    TaskB_2();/*TaskB任務(wù)的第2步*/
    TASKB_STEP(pt);
    TaskB_3();/*…*/
    PT_END(pt);
  }
  int ProtothreadTaskC(struct pt *pt) {
    PT_BEGIN(pt);
    TASKC_STEP(pt);/*如果不夠1步執(zhí)行,則阻塞,讓出執(zhí)行權(quán)限*/
    TaskC_1();/*TaskB任務(wù)的第1步*/
    TASKC_STEP(pt);
    TaskC_2();/*TaskB任務(wù)的第2步*/
    TASKC_STEP(pt);
    TaskC_3();/*…*/
    TASKC_STEP(pt);
    TaskC_4();
    PT_END(pt);
  }
  void main(void) {/*系統(tǒng)初始化*/?
    PT_INIT(&TaskAPt);
    PT_INIT(&TaskBPt);
    PT_INIT(&TaskCPt);
    PT_SEM_INIT(&SemRunTaskA,1);
    PT_SEM_INIT(&SemRunTaskB,1);/*運(yùn)行任務(wù)*/
    while(1) {
      ProtothreadTaskA(&TaskAPt);
      ProtothreadTaskB(&TaskBPt);
      ProtothreadTaskC(&TaskCPt);
    }
  }  

模擬運(yùn)行結(jié)果如表1所列。運(yùn)行結(jié)果顯示,3個任務(wù)的運(yùn)行情況完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。從資源需求來看,完成此例的系統(tǒng)設(shè)計,共需要12個字節(jié)的RAM空間。筆者進(jìn)一步對Protothread定義文件做了少許修改和優(yōu)化,最終僅耗費(fèi)6個字節(jié)。

結(jié)語

本文旨在解決資源緊張型應(yīng)用的、多任務(wù)環(huán)境下的實(shí)時性問題。 通過借助Protothread的阻塞運(yùn)行機(jī)制, 成功實(shí)現(xiàn)了低開銷的實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)。
表1  模擬運(yùn)行結(jié)果運(yùn)行

參考文獻(xiàn)
[1]  Adam Dunkels, Oliver Schmidt, Thiemo Voigt. Using Protothreads for Sensor Node Programming[C]. REALWSN'05 Workshop on RealWorld Wireless Sensor Networks, Stockholm, Sweden, June 2005
[2]  Adam Dunkels, Oliver Schmidt, Thiemo Voigt, et al. Protothreads: Simplifying EventDriven Programming of MemoryConstrained Embedded Systems[C]. In Proceedings of the Fourth ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2006), Boulder, Colorado, USA, November 2006.
[3]  Labrosse Jean J. MicroC/OSII The Real Time Kernel Second Edition[M]. CMP Books, CMP Media.
[4]  冉全. 單片機(jī)中基于多線程機(jī)制的實(shí)時多任務(wù)研究[J] .微型機(jī)與應(yīng)用,2003(8): 39-40.
 

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