嵌入式操作系統(tǒng)μLC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)

摘要：為了使嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ更加適合數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)μC／OS-Ⅱ的任務(wù)分類(lèi)和任務(wù)調(diào)度做了改進(jìn)。將任務(wù)分為普通任務(wù)和搶占式任務(wù)。普通任務(wù)指通過(guò)操作系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行的任務(wù)，它又分為周期任務(wù)和隨機(jī)任務(wù)。周期任務(wù)對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)中要求定期執(zhí)行的任務(wù)，隨機(jī)任務(wù)對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)中由信號(hào)觸發(fā)執(zhí)行的任務(wù)。搶占式任務(wù)不通過(guò)調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行，而在中斷處理中直接運(yùn)行。搶占式任務(wù)對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)中執(zhí)行頻率高，執(zhí)行時(shí)間短的任務(wù)。實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)后的μC／OS-Ⅱ更適合數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的添加。
關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；μC／OS-Ⅱ；任務(wù)分類(lèi)；任務(wù)調(diào)度

    嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是一個(gè)可裁剪、源碼開(kāi)放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高，占用空間小，可移植性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)典型的強(qiáng)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，具有可確定性?？纱_定性主要是確保條件出現(xiàn)到由此引起的動(dòng)作開(kāi)始(或者結(jié)束)的時(shí)間在一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)段內(nèi)。在數(shù)控系統(tǒng)中，條件是由操作員的指令(如：緊急停止、移動(dòng)x軸等)或是機(jī)床的狀態(tài)(如刀具破損等)引起的。本文分析了數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點(diǎn)，結(jié)合μC／OS-Ⅱ的內(nèi)核體系，對(duì)μC／OS-Ⅱ的任務(wù)分類(lèi)、任務(wù)調(diào)度和中斷服務(wù)策略做了改進(jìn)，使其更加適合于數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)的分類(lèi)
    μC／OS-Ⅱ中每個(gè)任務(wù)有5種狀態(tài)：休眠(DORMANT)、就緒(READY)、運(yùn)行(RUNNING)、等待(WAITING)、中斷(ISR)。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲(chǔ)器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準(zhǔn)備執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，沒(méi)有得到CPU控制權(quán)；任務(wù)得到CPU控制權(quán)后就處于運(yùn)行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務(wù)處于等待狀態(tài)，事件可以是I／O操作完成、共享資源可以利用、時(shí)鐘周期到等；任務(wù)執(zhí)行過(guò)程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。

2 μC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)
2．1 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點(diǎn)
    在數(shù)控系統(tǒng)中，任務(wù)可分為兩種：周期運(yùn)行的任務(wù)和信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行的任務(wù)，這里所說(shuō)的信號(hào)即包括硬件信號(hào)，也包括軟件信號(hào)。周期運(yùn)行的任務(wù)有定時(shí)信號(hào)采樣、定時(shí)I／O口掃描、定時(shí)通信等。信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行的任務(wù)有中斷信號(hào)(硬件信號(hào))觸發(fā)的中斷服務(wù)任務(wù)，命令消息信號(hào)(軟件信號(hào))觸發(fā)的命令解釋任務(wù)等。另外，數(shù)控系統(tǒng)中，有些任務(wù)還具有運(yùn)行時(shí)間短，運(yùn)行頻率高，要求實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，如信號(hào)采樣、數(shù)控機(jī)床中的插補(bǔ)控制等。
2．2 改進(jìn)后的任務(wù)劃分
    在改進(jìn)后的嵌入式操作系統(tǒng)中任務(wù)分為兩類(lèi)：普通任務(wù)和搶占式任務(wù)。普通任務(wù)指通過(guò)操作系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行的任務(wù)，調(diào)度方法如圖1所示；搶占式任務(wù)指那些不通過(guò)調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行，而是在中斷處理中直接運(yùn)行的任務(wù)。下面詳細(xì)說(shuō)明這兩種任務(wù)。
2．2．1 普通任務(wù)
    根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)多為周期任務(wù)和信號(hào)觸發(fā)任務(wù)這一特點(diǎn)，將普通任務(wù)分為兩種：定時(shí)運(yùn)行的周期任務(wù)(簡(jiǎn)稱(chēng)周期任務(wù))和信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行的隨機(jī)任務(wù)(簡(jiǎn)稱(chēng)隨機(jī)任務(wù))。相應(yīng)的，任務(wù)狀態(tài)被劃分為6種：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)、停止態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。圖1為改進(jìn)后的任務(wù)狀態(tài)切換圖。

    在這六種狀態(tài)中，運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)和中斷態(tài)對(duì)應(yīng)μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；掛起態(tài)是任務(wù)在執(zhí)行完成前，因等待某事件或資源而被迫停止運(yùn)行，等待事件或資源到來(lái)的狀態(tài)；等待態(tài)是周期任務(wù)完成一次運(yùn)行，等待運(yùn)行周期到再次運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)；停止態(tài)是隨機(jī)任務(wù)等待其觸發(fā)信號(hào)的狀態(tài)。這里去掉了休眠態(tài)，即沒(méi)有任務(wù)的刪除，所有的任務(wù)一旦建立，在系統(tǒng)運(yùn)行期間一直存在。這樣的處理是因?yàn)樵跀?shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中，所有建立的任務(wù)一定是有用的，即在系統(tǒng)運(yùn)行期間一定會(huì)被執(zhí)行，無(wú)用的代碼和任務(wù)不會(huì)被添加。在μC／OS-Ⅱ中，設(shè)定每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，即任務(wù)函數(shù)永不返回，這樣做是不合適的。該操作系統(tǒng)允許任務(wù)函數(shù)返回，返回后調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)根據(jù)任務(wù)的類(lèi)別，把周期任務(wù)放入等待隊(duì)列，把隨機(jī)任務(wù)放入停止隊(duì)列。
2．2．2 搶占式任務(wù)
    搶占式任務(wù)為執(zhí)行時(shí)間短且執(zhí)行頻率高于OS系統(tǒng)時(shí)鐘頻率(如信號(hào)采樣)，或?qū)崟r(shí)要求高(如數(shù)控機(jī)床中的插補(bǔ)控制)的任務(wù)。調(diào)度任務(wù)時(shí)間(主要是任務(wù)切換所花費(fèi)的時(shí)間)往往比這類(lèi)任務(wù)運(yùn)行一次的時(shí)間還多，這顯然是不合理的，搶占式任務(wù)正是為解決這種不合理而設(shè)計(jì)的。搶占式任務(wù)不通過(guò)OS調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行，也不采用TCB(任務(wù)控制塊)標(biāo)識(shí)它們，而是在它們的中斷觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，在中斷中_直接處理，這樣做節(jié)省了調(diào)度、任務(wù)切換的時(shí)間。但是，由于搶占式任務(wù)沒(méi)有TCB，也就沒(méi)有相應(yīng)的任務(wù)堆棧，所以搶占式任務(wù)在使用資源上要特別注意：一定要使用獨(dú)立的資源。這樣既可以使搶占式任務(wù)正常運(yùn)行，又可以避免搶占式任務(wù)對(duì)被中斷程序的環(huán)境造成破壞。具體辦法如下：
    (1)專(zhuān)用寄存器組。若處理程序中使用了寄存器，則為其分配專(zhuān)用的寄存器組，這樣也省去了保存／恢復(fù)寄存器的時(shí)間消耗。
    (2)全局變量。因?yàn)楹瘮?shù)內(nèi)部的局部變量是分配在堆棧中的，直接處理方式不形成任務(wù)，沒(méi)有自己的堆棧，如果使用局部變量，其局部變量會(huì)分配在被中斷任務(wù)的堆棧內(nèi)，所以在該方式下任務(wù)應(yīng)使用全局變量。用戶在設(shè)計(jì)搶占式任務(wù)時(shí)要有一定限制，否則會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。具體限制如下：第一，數(shù)量不能太多，最好小于等于3個(gè)；第二，必須是執(zhí)行時(shí)間短，執(zhí)行頻率高的任務(wù)才能被設(shè)為搶占式任務(wù)。
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3 需要修改的內(nèi)核數(shù)據(jù)和函數(shù)
3．1 任務(wù)控制塊的修改
    (1)修改OSTCBDly的含義。在μC／OS-Ⅱ中，OSTCBDly表示任務(wù)延時(shí)的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)，或者任務(wù)掛起時(shí)的超時(shí)時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)。如果這個(gè)變量為0，則表示任務(wù)不延時(shí)，或者表示等待事件發(fā)生的時(shí)間沒(méi)有限制，修改后，OSTCBDly描述任務(wù)自運(yùn)行的周期數(shù)，其計(jì)算公式如式(1)所示。若該項(xiàng)為零，任務(wù)為信號(hào)觸發(fā)的隨機(jī)任務(wù)。
   
    (2)在TCB增加一項(xiàng)OSTCBDlyD作為任務(wù)自運(yùn)行周期動(dòng)態(tài)值。
    INT16UOSTCBDlyD； ／*任務(wù)自運(yùn)行周期動(dòng)態(tài)值*／其中，OSTCBDlyD是任務(wù)等待運(yùn)行時(shí)間的動(dòng)態(tài)值。若任務(wù)在等待態(tài)，其初值為OSTCBD-ly；若任務(wù)為掛起態(tài)，其初值為超時(shí)限制值。系統(tǒng)時(shí)鐘處理函數(shù)OSTimeTick()對(duì)OSTCBDlyD減1，當(dāng)OSTCBDlyD小于0時(shí)，則將該任務(wù)放入就緒隊(duì)列。
    (3)增加OSTCBStat的取值。OSTCBStat是任務(wù)的狀態(tài)字。由于增加了停止態(tài)和等待態(tài)兩種任務(wù)狀態(tài)，因此需要增加OSTCBStat的取值，具體修改是在文件μCOS_II．H中增加下面信息。
    #define OS_STAT_wAIT 0x40 ／／任務(wù)狀態(tài)字為等待態(tài)
    #define OS_STAT_STOP 0x80 ／／任務(wù)狀態(tài)字為停止態(tài)
3．2 時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)的OSTimeTick()修改
    通過(guò)TCB數(shù)組掃描全部TCB，根據(jù)OSTCBStat的值做不同處理，具體處理如下：
    就緒態(tài)的任務(wù)，OSTCBDlyD--，若有超時(shí)，則進(jìn)行超時(shí)處理。
    掛起態(tài)的任務(wù)，OSTCBDlyD--，若有超時(shí)，則將其插入就緒表。
    等待態(tài)的任務(wù)，OSTCBDlyD--，若到時(shí)，則將其加入就緒表。
    運(yùn)行態(tài)的任務(wù)和停止態(tài)的任務(wù)，不做處理。
3．3 增加函數(shù)OSTaskEndDeal()
    當(dāng)前任務(wù)的函數(shù)運(yùn)行完返回時(shí)，調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)完成工作：首先調(diào)用OSTaskStkInit()將該任務(wù)的堆棧初始化；然后判斷任務(wù)是否為最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，若是，則保持該任務(wù)在就緒態(tài)，這樣做的目的是使最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)始終處于就緒態(tài)，就緒表不會(huì)為空。若否，則根據(jù)OSTCBCUR→OSTCBDly決定任務(wù)該插入哪個(gè)隊(duì)列，該值等于零，任務(wù)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；
不等于零，任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)。最后，調(diào)用OSStart()選擇新任務(wù)運(yùn)行。
3．4 搶占式任務(wù)的實(shí)現(xiàn)
    搶占式任務(wù)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況做處理，這里以數(shù)控系統(tǒng)中的插補(bǔ)控制為例介紹搶占式任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。
3．4．1 插補(bǔ)控制任務(wù)的功能
    插補(bǔ)控制任務(wù)是根據(jù)加工命令和當(dāng)前點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)計(jì)算各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的位移和方向。插補(bǔ)時(shí)需要用一個(gè)定時(shí)器作為插補(bǔ)速度的控制，每次定時(shí)中斷觸發(fā)一步插補(bǔ)運(yùn)算和輸出，當(dāng)插補(bǔ)到終點(diǎn)，定時(shí)器停止，插補(bǔ)完成。
3．4．2 插補(bǔ)控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)
    (1)選擇一個(gè)硬件定時(shí)器作為插補(bǔ)專(zhuān)用定時(shí)器，將插補(bǔ)任務(wù)的代碼放入該硬件定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中。
    (2)為該中斷設(shè)置一組專(zhuān)用的寄存器組，以減少中斷環(huán)境保存和恢復(fù)的時(shí)間。
    (3)將需要執(zhí)行插補(bǔ)任務(wù)的當(dāng)前位置值和加工命令(如：加工曲線線形、終點(diǎn)值)等信息定義成全局變量，以便與其他任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的信息交互。
    (4)插補(bǔ)控制任務(wù)的啟動(dòng)。根據(jù)插補(bǔ)速度設(shè)定定時(shí)器初值，初始化插補(bǔ)所用的全局變量，啟動(dòng)定時(shí)器。

4 基于改進(jìn)后的μC／OS-Ⅱ的數(shù)控機(jī)床執(zhí)行控制器的軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)由專(zhuān)用軟件IPC構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；下位機(jī)由C8051020及其外圍電路的嵌入式執(zhí)行控制器構(gòu)成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)、可靠的控制。嵌入式執(zhí)行控制器軟件基于改進(jìn)后的μC／OS-Ⅱ設(shè)計(jì)，主要包括下面一些功能：與IPC的通信(發(fā)送任務(wù)和接受任務(wù))、命令解釋(命令解釋任務(wù))和命令執(zhí)行(加工監(jiān)控任務(wù)、插補(bǔ)計(jì)算任務(wù)、間隙電壓檢測(cè)和限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)任務(wù))。其中，通信有發(fā)送和接收兩方面內(nèi)容；命令解釋時(shí)，對(duì)開(kāi)關(guān)量控制命令直接執(zhí)行；命令執(zhí)行中需要進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算、檢測(cè)間隙電壓和限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)及加工監(jiān)測(cè)。各任務(wù)具體設(shè)計(jì)如表1所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)μC／OS-Ⅱ的任務(wù)劃分和任務(wù)調(diào)度做了改進(jìn)，更加方便數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的在μC／OS-Ⅱ上的添加，同時(shí)也便于μC／OS-Ⅱ?qū)Σ煌蝿?wù)的管理。搶占式任務(wù)減少了任務(wù)切換花費(fèi)的時(shí)間，并提高了硬件資源的利用率，但應(yīng)注意搶占式任務(wù)的數(shù)量不能過(guò)多，最好小于等于3個(gè)，否則會(huì)影響OS正常運(yùn)行。改進(jìn)后的內(nèi)核已應(yīng)用到了實(shí)際項(xiàng)目中，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。