嵌入式系統(tǒng)通用的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)研究

摘要：嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)在軟件編程上有一定的相似性。這種相似的特性，使得我們可以將個(gè)別系統(tǒng)的編程經(jīng)驗(yàn)推廣到更多的系統(tǒng)上。本文就μC/OS-II內(nèi)核的任務(wù)管理和內(nèi)存管理進(jìn)行基本的介紹，并介紹一個(gè)通用的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)。然后，與之相對(duì)應(yīng)，提供兩個(gè)不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用實(shí)例。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 多任務(wù) 編程

引言

嵌入式系統(tǒng)的面向應(yīng)用特性，使得大多數(shù)程序員沉陷于不同的應(yīng)用中。在進(jìn)入新的一輪開發(fā)后，往往只有一些簡單的經(jīng)驗(yàn)可供參考。為了加快應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)度，有必要研究一種統(tǒng)一的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)，使開發(fā)人員能夠通過簡單模式套用，簡化大量系統(tǒng)研究方面的工作，以加快嵌入式開發(fā)人員對(duì)新系統(tǒng)的理解和使用。

操作系統(tǒng)μC/OS-II和ECOS（Embedded Configurable OS）是我在研發(fā)過程中使用過的兩個(gè)系統(tǒng)。這兩個(gè)源碼公開的系統(tǒng)是我們研究的基礎(chǔ)。開發(fā)平臺(tái)依次是PC機(jī)和EP7212開發(fā)板。

1 μC/OS-II內(nèi)核

對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，我們最關(guān)心的是：任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理及時(shí)間特性等。這里，只介紹與多任務(wù)編程聯(lián)系最多的任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理。

1.1 任務(wù)調(diào)度

任務(wù)的狀態(tài)有休眠、就緒及運(yùn)行幾種。任務(wù)調(diào)度就是遵循一定的原則，使多個(gè)任務(wù)共同使用同一處理機(jī)的過程。這一過程主要是通過對(duì)任務(wù)控制塊（TCB）的管理來實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)一個(gè)任務(wù)建立時(shí)，μC/OS-II系統(tǒng)為其所對(duì)應(yīng)的OS_TCB賦值；當(dāng)任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時(shí)，系統(tǒng)用OS_TCB來保存該任務(wù)的狀態(tài)；當(dāng)任務(wù)重新得到CPU使用權(quán)時(shí)，系統(tǒng)就可通過任務(wù)控制埠來使任務(wù)從被中斷處繼續(xù)執(zhí)行下去。

在μC/OS-II中，TCB內(nèi)包含如下基本項(xiàng)：

*OSTCBStkPtr是一個(gè)指向當(dāng)前任務(wù)棧頂?shù)闹羔?，通過允許每個(gè)任務(wù)擁有自己的棧來減小系統(tǒng)的內(nèi)存開銷；

*OSTCBNextOSTCBPrev用于任務(wù)控制塊的雙重鏈接；

*OSTCBDly用于任務(wù)延時(shí)或超時(shí)限制；

*OSTCBStat任務(wù)的狀態(tài)字，0表示就緒態(tài)；

*OSTCBPrio任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，值越小，優(yōu)先級(jí)越高。

在μC/OS-II中，還有兩個(gè)與任務(wù)調(diào)度相關(guān)的結(jié)構(gòu)就緒表和估級(jí)判定表。就緒表中有兩個(gè)變量用來存放每個(gè)任務(wù)的就緒標(biāo)志。通過分組與優(yōu)先級(jí)表中的項(xiàng)實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)而確定進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。

任務(wù)調(diào)度算法原型：

*關(guān)中斷；

*取優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)；

*若不是當(dāng)前任務(wù)，則進(jìn)行任務(wù)切換；

*開中斷。

任務(wù)切換中兩步完成：將被掛起的任務(wù)的微處理器寄存器堆入棧，然后，將較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的寄存器值從棧中恢復(fù)到寄存器中。

1.2 內(nèi)存管理

在嵌入式系統(tǒng)中，為了更高效地使用內(nèi)存，除了常規(guī)的malloc()和free（）外，通常提供不同的內(nèi)存組織形式，以滿足特殊應(yīng)用的需求。ΜC/OS-II中，操作系統(tǒng)把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，每個(gè)分區(qū)中包含整數(shù)大小相同的內(nèi)存塊。利用這種機(jī)制，μC/OS-II對(duì)malloc()和free（）進(jìn)行改造，使得它們可分配和釋放固定大小的內(nèi)存塊，并且使這兩個(gè)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間也固定下來。

為了使用戶能得到需大小的內(nèi)存塊，在一個(gè)系統(tǒng)中可以多個(gè)內(nèi)存分區(qū)，應(yīng)用程序可以從不同的內(nèi)存分區(qū)中取得不同大小的內(nèi)存塊。唯一要注意的是，不同的內(nèi)存塊在釋放時(shí)必須重新放回它以前所屬的內(nèi)存分區(qū)。采用上述的內(nèi)存管理算法，解決了內(nèi)存碎片的問題。

為了跟蹤每一個(gè)內(nèi)存分區(qū)，μC/OS-II使用了內(nèi)存控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要有：

OSMemAddr—指向內(nèi)存分區(qū)起始地址的指針；

OSMemFreeList—指向下一個(gè)空閑控制塊或下一個(gè)空閑內(nèi)存塊的指針；

OSMemBlkSize—內(nèi)存分區(qū)中內(nèi)存塊的大小，是用戶建立該內(nèi)存分區(qū)時(shí)指定的；

OSMemB1ks—內(nèi)存分區(qū)中總的內(nèi)存塊數(shù)量，是用戶建立該內(nèi)存分區(qū)時(shí)指定的；

OSMemNFree—內(nèi)存分區(qū)中當(dāng)前可以得到的空閑內(nèi)存塊數(shù)量。

在μC/OS-II中，也可以使用常規(guī)的malloc（）和free（）內(nèi)存管理函數(shù)來增強(qiáng)其可移植性，但在使用更嚴(yán)格的場(chǎng)合，應(yīng)使用系統(tǒng)提供的特殊的內(nèi)存管理。

2 應(yīng)用軟件

2.1 應(yīng)用軟件原型

對(duì)于8051單片機(jī)系統(tǒng)的編程，最基本的架構(gòu)是一個(gè)無限循環(huán)，應(yīng)用的所有事情基本上都是在這個(gè)超循環(huán)中實(shí)現(xiàn)的。在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)上只有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行，應(yīng)用就是整個(gè)系統(tǒng)，而整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)應(yīng)用。

與這種簡單系統(tǒng)相似，超循環(huán)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II中也是一個(gè)基本結(jié)構(gòu)；但不再是系統(tǒng)級(jí)的，而只是任務(wù)級(jí)的。圖1為超循環(huán)的結(jié)構(gòu)示意。

    在一個(gè)應(yīng)用中，至少有一個(gè)這樣的任務(wù)，它包含這樣一個(gè)超循環(huán)，以使其擁有與應(yīng)用相同的生存期，并由它完成應(yīng)用的全部或部分功能。圖2為應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)框圖。

2.2 基本應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)

應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)存在不同性，是由應(yīng)用本身決定的；但作為基本結(jié)構(gòu)，則是相似甚至是相同的。因?yàn)閷?duì)于不同的系統(tǒng)，所調(diào)用的函數(shù)是不同的。下面給出基本應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)的文字描述。

①聲明系統(tǒng)的包含文件。

②聲明全局?jǐn)?shù)據(jù)：任務(wù)數(shù)、任務(wù)的棧空間等。

③主函數(shù)：

*系統(tǒng)初始化；

*創(chuàng)建主任務(wù)；

*啟動(dòng)多任務(wù)執(zhí)行。

④主任務(wù)：

*主任務(wù)初始化；

*若必要，可創(chuàng)立多個(gè)子任務(wù)；

*進(jìn)入超循環(huán)或退出主任務(wù)。

⑤子任務(wù)：

*子任務(wù)初始化；

*進(jìn)入超循環(huán)或退出子任務(wù)。

2.3 應(yīng)用軟件實(shí)例

（1）樣例1

為了簡要說明軟件結(jié)構(gòu)思想，我們?cè)赑C平臺(tái)、Windows 98系統(tǒng)下，采用了Borland公司的C++命令行編譯環(huán)境，說明我們的第一應(yīng)用。

其中文件的主要功能，就是顯示一個(gè)HelloμC/OS-II embedded world！字符串。由于其是在μC/OS-II下實(shí)現(xiàn)的，與原理有相通性，這里就不再更多介紹了。

（2）樣例2

使用Cirrus Logic公司的開發(fā)板EP7212，運(yùn)行的操作系統(tǒng)是RedHat公司的ECOS。本應(yīng)用的主要功能是，把從串口2接收到的數(shù)據(jù)再發(fā)送回去，并且在初始化時(shí)加發(fā)一個(gè)“Hello eCos World！”字符串。

ECOS是一個(gè)比μC/OS-II更復(fù)雜的系統(tǒng)，其支持的軟件結(jié)構(gòu)更豐富，但其對(duì)我們所抽象的軟件結(jié)構(gòu)依然支持得很好；只是在我們應(yīng)用的主函數(shù)中，已更好地將系統(tǒng)的初始化部分隱藏了起來。