嵌入式實時操作系統(tǒng)Salvo的內(nèi)核分析與配置

    摘要：簡要介紹Salvo的基本特點；詳細分析Salvo的內(nèi)核管理、運行機制；深入探討Salvo用戶目標代碼的生成與配置，并給出不同用戶目標代碼生成方式下的用戶目標代碼生成流程。

    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)中引入嵌入式實時操作系統(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)，特別是單片機系統(tǒng)，由于RTOS資源的占用，使用戶可用資源大大減少，嚴重影響系統(tǒng)的實時性，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的RTOS，如應(yīng)用于51系列單片機RTX51 tiny，但由于功能相對薄弱，無太大實用價值；另外也有一些功能較強的RTOS可移植到單片機系統(tǒng)，但由于占用資源較多，需擴展大量的RAM和ROM，并且產(chǎn)時性差。本文介紹一種適用于小容量存儲器單片機（如PIC系列）系統(tǒng)且功能強大的RTOS—Salvo。

1 Salvo特點

嵌入式實時操作系統(tǒng)Salvo有兩大特點：①占用系統(tǒng)資源少；②功能強大。

（1）Salvo占用的系統(tǒng)資源

Salvo最大的特點是占用系統(tǒng)資源少，特別是占用存儲器資源極少。它不但適用于51系列單片機，也適用于存儲器資源更少的PIC系列單片機。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系列單片機為例，每個全局變量占10B，任務(wù)點5B，事件占3B。

（2）Salvo功能和性能

Salvo是一個基于優(yōu)先級任務(wù)切換，支持事件驅(qū)動的多任務(wù)嵌入式實時操作系統(tǒng)。Salvo共支持16個任務(wù)優(yōu)先級。且多個任務(wù)可以共用一個優(yōu)先級，任務(wù)按優(yōu)先級高低切換，對于多個同一優(yōu)先級的任務(wù)，以時間片循環(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默認支持255個任務(wù)、255個事件和255個消息隊列）

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時間管理—提供任務(wù)延時函數(shù)等功能；

③信號管理—提供信號量建立、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運行狀態(tài)。任務(wù)占用系統(tǒng)資源正在運行中，任務(wù)一時刻只能有一個任務(wù)可以處于運行狀態(tài)；

②就緒狀態(tài)。由于任務(wù)的優(yōu)先級不是最高優(yōu)先級，任務(wù)正在等待運行；

③延時狀態(tài)。任務(wù)先前已運行過，現(xiàn)在暫停運行等待延時時間到達，一旦延時時間到達，任務(wù)處于就緒狀態(tài)；

④停止狀態(tài)。任務(wù)先前已運行過，現(xiàn)在由于某種確定原因暫停運行，直到RTOS再次啟動該任務(wù)；

⑤等待狀態(tài)。任務(wù)暫停運行，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)需要同步和通信機制。一般采用信號量、事件標志、消息和消息隊列實現(xiàn)任務(wù)間的同步和通信。

信號量（semaphores）分二進制信號量和計數(shù)式信號量，用于表示事件的發(fā)生或?qū)蚕碣Y源的訪問。信號量使用前應(yīng)先采用OSCreateSem()函數(shù)產(chǎn)生，信號量接收的任務(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)置信號量，掛起的信號量接收任務(wù)繼續(xù)運行。對于二進制信號量，Salvo提供OSCreateBinSem()、OS_WaitBinSem()、OSSignalBinSem()等函數(shù)用于二進制信號量的產(chǎn)生、等待和設(shè)置等功能。

圖2

    事件標志（event flags）用于某任務(wù)與多個事件的同步。任務(wù)與多個事件的同步可以是獨立同步（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)用于事件標志的產(chǎn)生、等待和設(shè)置等功能。

信號量和事件標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。消息隊列實際是消息陣列，用于任務(wù)或中斷服務(wù)程序（ISR）向一個或多個任務(wù)發(fā)送消息，隊列中的消息按先進選出（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)先級的嵌入式實時操作系統(tǒng)，Salvo總是運行就緒任務(wù)表中優(yōu)先級最高的任務(wù)。（Salvo允許2個以上任務(wù)處于同一優(yōu)先級，同一優(yōu)先級任務(wù)按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度）Salvo由函數(shù)OSSched()實現(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)的當前運行狀態(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)時的運行狀態(tài)，繼續(xù)運行。為完成這些功能，Salvo為每一個建立的任務(wù)建立一個任務(wù)控制埠（TCB）。任務(wù)控制埠是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當任務(wù)的CPU使用權(quán)被剝奪時，Salvo用它來保存該任務(wù)的運行狀態(tài)；當任務(wù)重新獲得CPU使用權(quán)時，任務(wù)控制塊能確保任務(wù)從當時被中斷處繼續(xù)運行。

3 Salvo的配置

當了成功地編譯Salvo應(yīng)用程序，并使編譯后的目標代碼小，系統(tǒng)運行時占用RAM空間少，在編譯Salvo應(yīng)用程序時，需要對Salvo進行配置。

（1）目標代碼建立方式

Salvo應(yīng)用程序目標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)用程序編譯時的配置文件對Salvo庫，即用戶函數(shù)無效?；趲斓哪繕舜a建立過程如圖2所示。

在基于源代碼的目標代碼建立中，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)用程序編譯時的配置文件對Salvo的用戶函數(shù)有效?；谠创a的目標代碼建立過程如圖3所示。

相對于基于庫的建立方式，基于源代碼的目標代碼建立配置文件作用范圍更大，生成的目標代碼更貼近應(yīng)用系統(tǒng)。即目標代碼更小，運行時占用RAM更少。

圖3

    （2）Salvo配置

Salvo的配置信息保存在應(yīng)用程序同一目標的salvocfg.h文件中，文件以文本形式，每項配置操作通過C語言的#define語句實現(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)閉信號量、消息和消息隊列；

②大小指定—配置延時RAM、計數(shù)器、事件標志、標記的位數(shù)；

③定時和標記—開啟/關(guān)閉定時器；

④優(yōu)化操作—優(yōu)化運行速度、消息隊列、全局變量等；

⑤監(jiān)視和調(diào)試—配置指針、延時、任務(wù)、事件的監(jiān)視；

⑥錯誤檢查—開啟/關(guān)閉用戶函數(shù)錯誤檢查；

⑦存儲器定位—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，嵌入式實時操作系統(tǒng)Salvo以其功能強大、內(nèi)核簡潔高效、占用資源少、可配置性強等特點，非常適合于資源較少，特別是存儲器資源少的單片機系統(tǒng)使用。在單片機系統(tǒng)中嵌入實時操作系統(tǒng)Salvo，可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高可靠性，增強產(chǎn)品市場競爭力。