嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo的內(nèi)核分析與配置

摘要：簡要介紹Salvo的基本特點(diǎn);詳細(xì)分析Salvo的內(nèi)核管理、運(yùn)行機(jī)制;深入探討Salvo用戶目標(biāo)代碼的生成與配置，并給出不同用戶目標(biāo)代碼生成方式下的用戶目標(biāo)代碼生成流程。 關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng) Salvo 內(nèi)核分析 任務(wù)控制塊 配置 引言 目前電子產(chǎn)品開發(fā)廣泛采用以微處理器為核心的電子系統(tǒng)。開發(fā)以微處理器為核心的電子系統(tǒng)(以下簡稱微處理器系統(tǒng))采用傳統(tǒng)的無限循環(huán)函數(shù)模式，產(chǎn)品的開發(fā)周期和穩(wěn)定性都無法保障，因此，在微處理器系統(tǒng)開發(fā)中引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。RTOS的引入消耗了部分系統(tǒng)資源。這部分系統(tǒng)資源對于高檔微處理器系統(tǒng)影響不大;對于中小規(guī)模微處理器系統(tǒng)，特別是單片機(jī)系統(tǒng)，由于RTOS資源的占用，使用戶可用資源大大減少，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，甚至系統(tǒng)功能無法完成。市場上雖然有一些專用于單片機(jī)的RTOS，如應(yīng)用于51系列單片機(jī)RTX51 tiny，但由于功能相對薄弱，無太大實(shí)用價(jià)值;另外也有一些功能較強(qiáng)的RTOS可移植到單片機(jī)系統(tǒng)，但由于占用資源較多，需擴(kuò)展大量的RAM和ROM，并且產(chǎn)時(shí)性差。本文介紹一種適用于小容量存儲(chǔ)器單片機(jī)(如PIC系列)系統(tǒng)且功能強(qiáng)大的RTOS—Salvo。 1 Salvo特點(diǎn) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo有兩大特點(diǎn)：①占用系統(tǒng)資源少;②功能強(qiáng)大。 (1)Salvo占用的系統(tǒng)資源 Salvo最大的特點(diǎn)是占用系統(tǒng)資源少，特別是占用存儲(chǔ)器資源極少。它不但適用于51系列單片機(jī)，也適用于存儲(chǔ)器資源更少的PIC系列單片機(jī)。Salvo 占用ROM資源取決于用戶調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)，占用RAM取決于用戶定義的變量、任務(wù)和事件的數(shù)量。以PIC16系列單片機(jī)為例，每個(gè)全局變量占10B，任務(wù)點(diǎn)5B，事件占3B。 (2)Salvo功能和性能 Salvo是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換，支持事件驅(qū)動(dòng)的多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Salvo共支持16個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)。且多個(gè)任務(wù)可以共用一個(gè)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)按優(yōu)先級(jí)高低切換，對于多個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，以時(shí)間片循環(huán)方式 (round-robin)切換。Salvo支持任務(wù)和事件的數(shù)量不限，取決于RAM的大小。(Salvo默認(rèn)支持255個(gè)任務(wù)、255個(gè)事件和255個(gè)消息隊(duì)列) 圖1 Salvo內(nèi)核主要提供以下幾類函數(shù)供用戶應(yīng)用程序引用： ①任務(wù)管理—提供任務(wù)建立、任務(wù)撤消等功能; ②時(shí)間管理—提供任務(wù)延時(shí)函數(shù)等功能; ③信號(hào)管理—提供信號(hào)量建立、刪除、等待、發(fā)出等功能; ④消息管理—提供消息建立、刪除、等待、發(fā)出等功能。 2 Salvo的內(nèi)核分析 (1)任務(wù)狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移 Salvo的用戶任務(wù)具有以下幾種狀態(tài)： ①運(yùn)行狀態(tài)。任務(wù)占用系統(tǒng)資源正在運(yùn)行中，任務(wù)一時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)可以處于運(yùn)行狀態(tài); ②就緒狀態(tài)。由于任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不是最高優(yōu)先級(jí)，任務(wù)正在等待運(yùn)行; ③延時(shí)狀態(tài)。任務(wù)先前已運(yùn)行過，現(xiàn)在暫停運(yùn)行等待延時(shí)時(shí)間到達(dá)，一旦延時(shí)時(shí)間到達(dá)，任務(wù)處于就緒狀態(tài); ④停止?fàn)顟B(tài)。任務(wù)先前已運(yùn)行過，現(xiàn)在由于某種確定原因暫停運(yùn)行，直到RTOS再次啟動(dòng)該任務(wù); ⑤等待狀態(tài)。任務(wù)暫停運(yùn)行，直到它的等待事件發(fā)生。 Salvo的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示。 (2)任務(wù)同步和通信 為保證應(yīng)用系統(tǒng)各任務(wù)的協(xié)調(diào)和信息傳輸，嵌入式操作系統(tǒng)需要同步和通信機(jī)制。一般采用信號(hào)量、事件標(biāo)志、消息和消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步和通信。 信號(hào)量(semaphores)分二進(jìn)制信號(hào)量和計(jì)數(shù)式信號(hào)量，用于表示事件的發(fā)生或?qū)蚕碣Y源的訪問。信號(hào)量使用前應(yīng)先采用OSCreateSem() 函數(shù)產(chǎn)生，信號(hào)量接收的任務(wù)在處理中用OS_WaitSem()函數(shù)等待事件發(fā)生而掛起。一旦信號(hào)量發(fā)送，任務(wù)根據(jù)事件的發(fā)送情況用 OSSignalSem()函數(shù)設(shè)置信號(hào)量，掛起的信號(hào)量接收任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。對于二進(jìn)制信號(hào)量，Salvo提供OSCreateBinSem()、 OS_WaitBinSem()、OSSignalBinSem()等函數(shù)用于二進(jìn)制信號(hào)量的產(chǎn)生、等待和設(shè)置等功能。 圖2 事件標(biāo)志(event flags)用于某任務(wù)與多個(gè)事件的同步。任務(wù)與多個(gè)事件的同步可以是獨(dú)立同步(邏輯或關(guān)系)，也可以是關(guān)聯(lián)同步(邏輯與關(guān)系)。Salvo提供 OSCreateEFlag()、OS_WaitEFlag、OSSignalEFlag()等函數(shù)用于事件標(biāo)志的產(chǎn)生、等待和設(shè)置等功能。 信號(hào)量和事件標(biāo)志只能用于傳遞事件的發(fā)生或?qū)蚕硎录脑L問，任務(wù)間其它信息的傳遞通過消息(messages)實(shí)現(xiàn)。消息可以傳遞各種信息，包括數(shù)值、字符、數(shù)組、函數(shù)、指針等。任務(wù)間傳遞的并非消息本身，而是指向消息的指針，消息內(nèi)容的含義由發(fā)送和接收消息的任務(wù)約定。Salvo提供 OSCreateMsg()、OS_WaitMsg()、OSSignalMsg()等函數(shù)用于消息的產(chǎn)生、等待和設(shè)置等功能。消息隊(duì)列實(shí)際是消息陣列，用于任務(wù)或中斷服務(wù)程序(ISR)向一個(gè)或多個(gè)任務(wù)發(fā)送消息，隊(duì)列中的消息按先進(jìn)選出(FIFO)原則被任務(wù)讀取。Salvo提供 OSCreateMsgQ()、OS_WaitMsg()、OSSignalMsgQ()等函數(shù)用于消息的產(chǎn)生、等待和設(shè)置等功能。 (3)任務(wù)調(diào)度和任務(wù)控制塊 Salvo是基于優(yōu)先級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，Salvo總是運(yùn)行就緒任務(wù)表中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。(Salvo允許2個(gè)以上任務(wù)處于同一優(yōu)先級(jí)，同一優(yōu)先級(jí)任務(wù)按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度)Salvo由函數(shù)OSSched()實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。 在任務(wù)切換過程中，被剝奪CPU使用權(quán)的任務(wù)必須保存該任務(wù)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，如CPU內(nèi)寄存器的值;而獲得CPU使用權(quán)的任務(wù)必須恢復(fù)前一次被剝奪CPU 使用權(quán)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行。為完成這些功能，Salvo為每一個(gè)建立的任務(wù)建立一個(gè)任務(wù)控制埠(TCB)。任務(wù)控制埠是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)任務(wù)的CPU 使用權(quán)被剝奪時(shí)，Salvo用它來保存該任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)任務(wù)重新獲得CPU使用權(quán)時(shí)，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從當(dāng)時(shí)被中斷處繼續(xù)運(yùn)行。 3 Salvo的配置 當(dāng)了成功地編譯Salvo應(yīng)用程序，并使編譯后的目標(biāo)代碼小，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)占用RAM空間少，在編譯Salvo應(yīng)用程序時(shí)，需要對Salvo進(jìn)行配置。 (1)目標(biāo)代碼建立方式 Salvo應(yīng)用程序目標(biāo)代碼建立方式有兩種：基于庫的建立和基于源泉代碼的建立。 在基于庫的目標(biāo)代碼建立中，Salvo提供的用戶函數(shù)包含在預(yù)編譯的Salvo庫文件中，Salvo應(yīng)用程序從用戶程序源代碼(包括C語言和匯編語言)、 Salvo庫和Salvo的mem.c建立而成。由于Salvo庫是預(yù)先編譯的，應(yīng)用程序編譯時(shí)的配置文件對Salvo庫，即用戶函數(shù)無效?；趲斓哪繕?biāo)代碼建立過程如圖2所示。 在基于源代碼的目標(biāo)代碼建立中，Salvo提供用戶函數(shù)的源代碼。Salvo應(yīng)用程序從用戶程序源代碼、Salvo用戶函數(shù)源代碼(包括C語言和匯編語言)和Salvo的mem.c建立而成。由于Salvo用戶函數(shù)是源代碼形式，Salvo應(yīng)用程序編譯時(shí)的配置文件對Salvo的用戶函數(shù)有效?；谠创a的目標(biāo)代碼建立過程如圖3所示。 相對于基于庫的建立方式，基于源代碼的目標(biāo)代碼建立配置文件作用范圍更大，生成的目標(biāo)代碼更貼近應(yīng)用系統(tǒng)。即目標(biāo)代碼更小，運(yùn)行時(shí)占用RAM更少。 圖3 (2)Salvo配置 Salvo的配置信息保存在應(yīng)用程序同一目標(biāo)的salvocfg.h文件中，文件以文本形式，每項(xiàng)配置操作通過C語言的#define語句實(shí)現(xiàn)。 Salvo的配置主要有以下幾類操作： ①任務(wù)和事件—配置任務(wù)數(shù)，開啟/關(guān)閉信號(hào)量、消息和消息隊(duì)列; ②大小指定—配置延時(shí)RAM、計(jì)數(shù)器、事件標(biāo)志、標(biāo)記的位數(shù); ③定時(shí)和標(biāo)記—開啟/關(guān)閉定時(shí)器; ④優(yōu)化操作—優(yōu)化運(yùn)行速度、消息隊(duì)列、全局變量等; ⑤監(jiān)視和調(diào)試—配置指針、延時(shí)、任務(wù)、事件的監(jiān)視; ⑥錯(cuò)誤檢查—開啟/關(guān)閉用戶函數(shù)錯(cuò)誤檢查; ⑦存儲(chǔ)器定位—配置Salvo對象在RAM中的位置。 典型的配置文件格式如下： #define OSBYTES_OF_DELAYS 1 //設(shè)置延時(shí)RAM長度 #define OSENABLE_MESSAGES TRUE //開啟消息處理功能 #define OSEVENTS 1 //設(shè)置應(yīng)用系統(tǒng)中事件數(shù) #define OSTASKS 3 //設(shè)置應(yīng)用程序系統(tǒng)中任務(wù)數(shù) 4 結(jié)論 以上分析可知，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo以其功能強(qiáng)大、內(nèi)核簡潔高效、占用資源少、可配置性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合于資源較少，特別是存儲(chǔ)器資源少的單片機(jī)系統(tǒng)使用。在單片機(jī)系統(tǒng)中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo，可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高可靠性，增強(qiáng)產(chǎn)品市場競爭力。