基于μC/OSⅡ的實(shí)時(shí)任務(wù)模型設(shè)計(jì)

本文通過(guò)研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核及應(yīng)用技術(shù)，分析實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能指標(biāo)；基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS Ⅱ內(nèi)核接口和任務(wù)運(yùn)行原理，提取實(shí)時(shí)任務(wù)的構(gòu)成要素，構(gòu)建實(shí)時(shí)任務(wù)模型。運(yùn)用任務(wù)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)、實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。根據(jù)任務(wù)模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)范例程序的基本功能和性能需求；將模型設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)，任務(wù)模型為實(shí)時(shí)程序研發(fā)和相關(guān)教學(xué)活動(dòng)提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的解決方案。

1 實(shí)時(shí)軟件技術(shù)及實(shí)時(shí)軟件構(gòu)成

實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境一般采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行支持平臺(tái)，支持模塊化開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，便于程序的調(diào)試、維護(hù)，使實(shí)時(shí)性能得到保證，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。RTOS為每個(gè)任務(wù)建立一個(gè)可執(zhí)行環(huán)境，并可方便地在任務(wù)間傳遞消息，在中斷處理程序和任務(wù)間傳遞事件，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)實(shí)施搶占調(diào)度。

從實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-time OS）的內(nèi)核功能、實(shí)現(xiàn)方法和運(yùn)行機(jī)制可得其目標(biāo)包括：按照搶占優(yōu)先級(jí)策略控制管理實(shí)時(shí)應(yīng)用程序每個(gè)并發(fā)任務(wù)的運(yùn)行；每個(gè)任務(wù)在多長(zhǎng)時(shí)限可以完成或得到響應(yīng)。任務(wù)時(shí)限（dead-line）是實(shí)現(xiàn)每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)必備的性能指標(biāo)。

時(shí)限可以分為硬時(shí)限（Hard Deadline）和軟時(shí)限（Soft Deadline）。具有硬截止時(shí)間的任務(wù)即為關(guān)鍵任務(wù)，如果不能滿(mǎn)足時(shí)限，則視為系統(tǒng)錯(cuò)誤。根據(jù)任務(wù)設(shè)置的重要程度，將擁有關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)稱(chēng)為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，否則稱(chēng)為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

1.1 中斷延遲

從一個(gè)外部事件發(fā)生到響應(yīng)中斷處理函數(shù)的第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，這段時(shí)長(zhǎng)稱(chēng)為中斷延遲。很多實(shí)時(shí)任務(wù)由中斷驅(qū)動(dòng)執(zhí)行，中斷事件必須在限定的時(shí)限內(nèi)處理，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

1.2 搶占延遲

從一個(gè)外部事件發(fā)生到處理該事件任務(wù)的第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，這段時(shí)長(zhǎng)稱(chēng)為搶占延遲。大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是處理一些周期性或非周期性的重復(fù)事件，事件觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行。每當(dāng)事件發(fā)生，相應(yīng)的處理任務(wù)必須及時(shí)得到調(diào)度執(zhí)行，否則將無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)限。搶占延遲反映系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)程度。

圖1表示實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)編程和運(yùn)行層次結(jié)構(gòu)。該圖對(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序功能設(shè)計(jì)接口和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行層次劃分。指明基于操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)的編程層次和接口。從而形成實(shí)時(shí)應(yīng)用程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)具體實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯一般采用分解任務(wù)的方法。將一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用功能劃分為多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)。分配任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)，賦予任務(wù)自主延遲功能，進(jìn)行必要的任務(wù)通信，設(shè)置關(guān)鍵任務(wù)的中斷響應(yīng)。調(diào)用RTOS內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)接口，創(chuàng)建實(shí)時(shí)任務(wù)；任務(wù)的運(yùn)行從接受內(nèi)核調(diào)度開(kāi)始，按照自身流程設(shè)計(jì)循環(huán)執(zhí)行，直至系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束。

實(shí)時(shí)應(yīng)用的基本構(gòu)成單位和基本功能實(shí)現(xiàn)方法，如圖2所示。

2 基于μC／OSⅡ內(nèi)核的實(shí)時(shí)任務(wù)模型

μC／OSⅡ嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)、優(yōu)先級(jí)搶占、可移植、可裁減的實(shí)時(shí)內(nèi)核。具有時(shí)間、內(nèi)存、信號(hào)量、郵箱和信息隊(duì)列等各類(lèi)功能函數(shù)，各任務(wù)間可以互相通訊，適用于小型CPU，開(kāi)源代碼簡(jiǎn)練，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

基于μC／OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，首要的工作在于如何將應(yīng)用程序中的功能進(jìn)行模塊分解，使每個(gè)模塊轉(zhuǎn)換為可并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)；調(diào)用內(nèi)核完成任務(wù)流程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；啟動(dòng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度程序，并發(fā)執(zhí)行任務(wù)。

實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)既要考慮內(nèi)核功能及接口，也要設(shè)計(jì)應(yīng)用邏輯功能。設(shè)計(jì)一個(gè)任務(wù)模型，直接服務(wù)于實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該模型對(duì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分解，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，引導(dǎo)用戶(hù)將設(shè)計(jì)功能轉(zhuǎn)換為應(yīng)用程序。

圖3提供了任務(wù)模型框架與構(gòu)建基本步驟。

2.1 任務(wù)分解

任務(wù)分解將一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯，按照任務(wù)的管理和控制接口劃分為若干獨(dú)立的任務(wù)，并發(fā)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能。簡(jiǎn)單地分為設(shè)計(jì)階段和編碼階段。

2.1.1 設(shè)計(jì)階段

（1）根據(jù)應(yīng)用程序功能需求，將應(yīng)用程序功能劃分為若干并發(fā)任務(wù)。首先將需要并發(fā)執(zhí)行的子功能確立為任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)按響應(yīng)的迫切程度確定。

（2）確定每個(gè)任務(wù)處理流程，確保完成任務(wù)功能。

（3）確定任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)是否與其他任務(wù)的執(zhí)行有關(guān)聯(lián)。

2.1.2 編碼階段

（1）完成每個(gè)任務(wù)的程序設(shè)計(jì)。將任務(wù)流程使用C語(yǔ)言編寫(xiě)為獨(dú)立的函數(shù)。根據(jù)應(yīng)用需求，不同的任務(wù)也可共用同一個(gè)函數(shù)的代碼段。

（2）實(shí)時(shí)任務(wù)需確定優(yōu)先級(jí)。為確保低優(yōu)先級(jí)任務(wù)有機(jī)會(huì)運(yùn)行，每個(gè)任務(wù)函數(shù)中需包括睡眠、掛起、等待指定時(shí)間等一些自主放棄CPU的語(yǔ)句，調(diào)用內(nèi)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.2 任務(wù)通信

實(shí)時(shí)任務(wù)間存在互相合作或競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。μC／OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核允許并發(fā)任務(wù)間通過(guò)事件、信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列進(jìn)行通信。實(shí)現(xiàn)分為兩步：定義通信事件數(shù)據(jù)類(lèi)型及初始化；任務(wù)編碼中適時(shí)調(diào)用發(fā)送和接收函數(shù)。

（1）創(chuàng)建任務(wù)前，調(diào)用內(nèi)核，定義需要的通信機(jī)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)調(diào)用內(nèi)核任務(wù)通信函數(shù)實(shí)現(xiàn)編碼，發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)可有多個(gè)。

2.3 任務(wù)創(chuàng)建

將編碼完成的任務(wù)函數(shù)，通過(guò)調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，轉(zhuǎn)換為內(nèi)核可調(diào)度的任務(wù)。系統(tǒng)函數(shù)INT8U OSTa-skCreate（void（*task）（void*pd），void*pdata，OSSTK*ptos，INT8U prio）的輸人數(shù)據(jù)為：任務(wù)代碼指針——任務(wù)函數(shù)名；創(chuàng)建任務(wù)運(yùn)行時(shí)傳遞的指針——可為空值；任務(wù)堆棧棧頂指針——任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；任務(wù)優(yōu)先級(jí)——確定任務(wù)關(guān)鍵程度。

2.4 任務(wù)性能

為確保實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)特性，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)軟件的性能需求，必須要求實(shí)時(shí)內(nèi)核能夠控制每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間。

任務(wù)執(zhí)行時(shí)間的測(cè)定方法類(lèi)似。在任務(wù)執(zhí)行代碼起始位置開(kāi)啟定時(shí)器；在一個(gè)任務(wù)周期結(jié)束時(shí)停止計(jì)時(shí)。反復(fù)調(diào)試，測(cè)得的最大值計(jì)為任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，又為一個(gè)任務(wù)最長(zhǎng)的一個(gè)執(zhí)行周期，也為控制單個(gè)任務(wù)功能的執(zhí)行提供依據(jù)。

2.5 任務(wù)與μC／OSⅡ?qū)崟r(shí)內(nèi)核連接

實(shí)時(shí)應(yīng)用程序主函數(shù)是整個(gè)應(yīng)用程序的執(zhí)行入口。該函數(shù)將應(yīng)用代碼和操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼進(jìn)行連接，形成一個(gè)完整的應(yīng)用代碼。主函數(shù)一般由以下步驟組成，μc／oSⅡ內(nèi)核均提供系統(tǒng)函數(shù)支持。

（1）初始化μC／OSⅡ操作系統(tǒng)內(nèi)核；

（2）保存DOS環(huán)境；

（3）安裝μC／OSⅡ中斷等環(huán)境參數(shù)；

（4）根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建信號(hào)量集；

（5）創(chuàng)建多個(gè)應(yīng)用程序任務(wù)；

（6）啟動(dòng)多任務(wù)管理（任務(wù)調(diào)度程序）運(yùn)行。

3 μC／oSⅡ?qū)崟r(shí)任務(wù)模型的應(yīng)用

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)是一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間控制十字路口信號(hào)燈的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，其基本功能具有實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基本特點(diǎn)。應(yīng)用實(shí)時(shí)任務(wù)模型進(jìn)行該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)功能、任務(wù)分解、任務(wù)通信

（1）應(yīng)用程序功能說(shuō)明

十字路口交通信號(hào)燈控制十字路口的車(chē)輛通過(guò)或停止。篇幅所限，控制方式簡(jiǎn)述如下：東西向綠燈亮?xí)r，南北向紅燈亮，反之亦然，車(chē)輛按同方向燈控制通過(guò)。

（2）任務(wù)分解說(shuō)明

設(shè)置兩個(gè)任務(wù)分別表示東西向燈task_ew和南北向燈task_ sn。東西向燈任務(wù)功能：申請(qǐng)南北向燈任務(wù)的同步信號(hào)量s_ sn，顯示綠燈指定時(shí)間，設(shè)定顯示紅燈指定時(shí)間，向南北任務(wù)發(fā)送同步信號(hào)量；南北向燈任務(wù)功能：申請(qǐng)東西向燈任務(wù)的同步信號(hào)量s_ew，顯示綠燈指定時(shí)間，設(shè)定顯示紅燈指定時(shí)間，向東西向任務(wù)發(fā)送同步信號(hào)量；兩個(gè)任務(wù)通過(guò)兩個(gè)信號(hào)量保持同步切換機(jī)制。

（3）任務(wù)間通信

根據(jù)任務(wù)分解得知，創(chuàng)建兩個(gè)信號(hào)量，南北向燈信號(hào)量s_sn，初值＝1；東西向燈信號(hào)量s_ew，初值＝O。這樣，通過(guò)任務(wù)代碼申請(qǐng)信號(hào)量的順序，可以將十字路口信號(hào)燈控制為如下順序和變化周期：東西向信號(hào)燈綠燈一東西向信號(hào)燈紅燈一南北向信號(hào)燈綠燈一南北向信號(hào)燈紅燈。

（4）任務(wù)代碼

東西向燈任務(wù)代碼task_ew（）簡(jiǎn)要流程如下，以下代碼為無(wú)限循環(huán)代碼。

①調(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)申請(qǐng)南北向燈信號(hào)量；

②東西向顯示綠燈，南北向顯示紅燈；

③調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，任務(wù)睡眠指定時(shí)間；

④調(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)發(fā)送東西向燈信號(hào)量。

南北向燈任務(wù)代碼task_sn（）簡(jiǎn)要流程如下：以下代碼為無(wú)限循環(huán)代碼。

①調(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)申請(qǐng)東西向燈信號(hào)量；

②南北向顯示綠燈，東西向顯示紅燈；

③調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，任務(wù)睡眠指定時(shí)間；

④調(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)發(fā)送南北向燈信號(hào)量。

3.2 任務(wù)創(chuàng)建

（1）任務(wù)函數(shù)代碼編碼完成后，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)0S-TaskCreate（）創(chuàng)建任務(wù)task_sn和task_ew。

（2）每個(gè)應(yīng)用任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不同，為了使任務(wù)按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行紅綠燈顯示切換，每個(gè)任務(wù)自動(dòng)設(shè)定睡眠若干時(shí)間，任務(wù)在睡眠狀態(tài)下顯示狀態(tài)保持不變。

3.3 任務(wù)與uC／OSⅡ?qū)崟r(shí)內(nèi)核連接

應(yīng)用程序主函數(shù)的主要流程設(shè)計(jì)如下：

3.4 實(shí)時(shí)任務(wù)性能指標(biāo)

若該應(yīng)用系統(tǒng)具有信號(hào)燈自動(dòng)控制改為手動(dòng)控制，再由手動(dòng)改為自動(dòng)控制功能，需要進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

（1）中斷延遲

設(shè)置一個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)代表手動(dòng)控制狀態(tài)。當(dāng)按下按鍵時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷事件必須在時(shí)限內(nèi)處理，睡眠上述兩個(gè)紅綠燈任務(wù)，將執(zhí)行切換到手動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)。當(dāng)需要切換到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按下對(duì)應(yīng)按鍵時(shí)產(chǎn)生中斷，處理該中斷，睡眠手動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)，喚醒兩個(gè)紅綠燈任務(wù)。

（2）搶占延遲

有時(shí)根據(jù)交通流量變化，需要調(diào)整十字路口雙方向紅綠燈的切換時(shí)間。設(shè)置一個(gè)時(shí)間調(diào)整任務(wù)，該任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高，可根據(jù)每星期各天、各時(shí)段路口情況進(jìn)行周期性動(dòng)態(tài)時(shí)間調(diào)整。按指定時(shí)間觸發(fā)事件，調(diào)度該任務(wù)執(zhí)行。搶占延遲就反映了系統(tǒng)的響應(yīng)及時(shí)程度。

提出的根據(jù)實(shí)時(shí)任務(wù)模型構(gòu)建實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的方法，為基于嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核μC／OSⅡ構(gòu)建應(yīng)用程序，提供了一個(gè)簡(jiǎn)明、方便的技術(shù)思路和實(shí)現(xiàn)方法，該模型為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供一個(gè)實(shí)用解決方案。