嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC／OS在控制工程中的應(yīng)用

嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，過(guò)去一般把整個(gè)軟件設(shè)計(jì)成一個(gè)前后臺(tái)系統(tǒng)。應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分是后臺(tái)行為；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分是前臺(tái)行為。這對(duì)于很簡(jiǎn)單的控制是比較適合的。但是在情況比較復(fù)雜的時(shí)候，工程師現(xiàn)在傾向于應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)牟僮飨到y(tǒng)來(lái)降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，使得實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變的容易，不需要大的改動(dòng)就能增加新的功能。而uC／OS就是一個(gè)用于開(kāi)發(fā)中小型項(xiàng)目比較合適的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

1 uC／OS的特點(diǎn)

uC／OS是一個(gè)原代碼公開(kāi)的，可移植性強(qiáng)的實(shí)時(shí)的多任務(wù)操作系統(tǒng)。其實(shí)時(shí)內(nèi)核采用占先式調(diào)度策略。這意味著他總是運(yùn)行就緒條件下的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)A正在運(yùn)行時(shí)，由于某種原因，一個(gè)比他優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)B進(jìn)入了就緒態(tài)，則立即任務(wù)A被掛起，任務(wù)B得到運(yùn)行。這個(gè)原因可能是任務(wù)A本身發(fā)出了信號(hào)量激活了任務(wù)B；也有可能是任務(wù)A正在運(yùn)行時(shí)，一個(gè)中斷到來(lái)了，而中斷服務(wù)子程序使得任務(wù)B進(jìn)入了就緒態(tài)，那么完成中斷后，任務(wù)B開(kāi)始運(yùn)行。

uC／OS的內(nèi)核采用固定優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法，所以每一個(gè)任務(wù)必須由程序設(shè)計(jì)者賦予一個(gè)明確的并且與其他任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)。如果設(shè)計(jì)者希望某個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)需要根據(jù)時(shí)間的推移或條件的變化而發(fā)生改變，那么必須由設(shè)計(jì)者自己調(diào)用改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級(jí)的函數(shù)OSTaskChangePrio()來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)不影響系統(tǒng)安全的小故障，相應(yīng)的有一個(gè)故障報(bào)警任務(wù)，剛開(kāi)始他的優(yōu)先級(jí)較低從而總是被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)占先，所以只能每隔一段較長(zhǎng)的時(shí)間執(zhí)行一次；隨著時(shí)間的推移，如果該故障得不到處理，他的優(yōu)先級(jí)可以逐漸提升，直到最后達(dá)到最高優(yōu)先級(jí)。

如果任務(wù)之間由于有共享資源出現(xiàn)了競(jìng)爭(zhēng)或者死鎖，是會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全的。因此uC／OS對(duì)共享資源提供了保護(hù)機(jī)制。一般情況下使用的是信號(hào)量方法。創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)量并對(duì)他進(jìn)行初始化，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要使用一個(gè)共享資源時(shí)，他必須先申請(qǐng)得到這個(gè)信號(hào)量。在這個(gè)過(guò)程中即使有優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，因?yàn)闊o(wú)法得到信號(hào)量，也不能使用該資源。在uC／OS中稱(chēng)為優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)必須等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的完成。在上述情況下，在2個(gè)任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是無(wú)法避免的。所以在使用uC／OS時(shí)，必須對(duì)所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對(duì)于某種共享資源是否使用信號(hào)量。

對(duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并非所有的任務(wù)都至關(guān)重要，而大多是綜合了軟實(shí)時(shí)和硬實(shí)時(shí)兩種需求。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)只是要求系統(tǒng)盡可能執(zhí)行得快，并不要求在某一特定時(shí)間內(nèi)完成。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)不但要執(zhí)行無(wú)誤，而且要準(zhǔn)時(shí)完成。因此給定優(yōu)先級(jí)是涉及到系統(tǒng)調(diào)度效率的大問(wèn)題，他又是和具體系統(tǒng)聯(lián)系緊密的一項(xiàng)工作。 2 電梯系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中的多任務(wù)劃分

在一座高樓里面往往多臺(tái)電梯并存，組成一個(gè)群控系統(tǒng)。因此各臺(tái)電梯軟件系統(tǒng)除了控制本臺(tái)電梯的正常運(yùn)行，還要與其他電梯交換數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行優(yōu)化的調(diào)度，以減少乘客的等待時(shí)間并且節(jié)約能源。

特別地，每臺(tái)電梯都關(guān)系到人員和設(shè)備安全，其系統(tǒng)可靠性非常重要。雖然其最終的安全保障由一定的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)施，例如在電梯完全失控下墜時(shí)，由安全鉗把轎廂卡在軌道上；但是這些措施采用立刻停止電梯運(yùn)行的方式，給乘客帶來(lái)極大的震動(dòng)和心理的不適，而且對(duì)設(shè)備也會(huì)造成一定的損傷。因此，軟件系統(tǒng)應(yīng)該在完成正常功能的同時(shí)，作為安全的第一道
防線，讓電梯在故障情況下比較緩和的改變速度，減小對(duì)人員和設(shè)備的沖擊。

2．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)其硬件架構(gòu)如圖1所示。

m臺(tái)電梯采用CAN總線連接，各個(gè)主控器是對(duì)等的，而且每臺(tái)電梯內(nèi)部也是CAN總線。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

每臺(tái)電梯的軟件是一樣的，其軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)是：

(1)滿足本機(jī)安全 即對(duì)于涉及到安全的信號(hào)要最快的響應(yīng)； (2)滿足本機(jī)的正?？刂?即正?？刂齐娞莸牟僮鳡顟B(tài)和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；
(3)盡量及時(shí)地響應(yīng)乘客的召喚 這里面有3個(gè)決定因素：一是對(duì)下位機(jī)的通信響應(yīng)及時(shí)性；二是多個(gè)電梯之間的互相通信的及時(shí)性；三是調(diào)度算法的有效性。那么設(shè)計(jì)的任務(wù)級(jí)別如圖2所示。

這是一個(gè)多鏈多任務(wù)系統(tǒng)，而且有幾個(gè)任務(wù)是公共任務(wù)。優(yōu)先級(jí)的安排是：

在某一個(gè)任務(wù)鏈中，最重要的任務(wù)不希望被同一任務(wù)鏈中的其他任務(wù)中斷，所以應(yīng)該設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)。

除了公共任務(wù)以外，任務(wù)鏈A中的任何的一個(gè)任務(wù)都比B中的任何一個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)高。 不同任務(wù)鏈中的公共任務(wù)的設(shè)置原則是就高不就低。這種設(shè)置保證在優(yōu)先級(jí)倒掛的情況下，高級(jí)別任務(wù)鏈中的任務(wù)一次運(yùn)行最多被阻塞一次。

系統(tǒng)的各個(gè)任務(wù)具有相對(duì)的獨(dú)立性。為了增加系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)一個(gè)超級(jí)任務(wù)用以監(jiān)視幾個(gè)重要的任務(wù)。其工作的原理是，在重要任務(wù)比如說(shuō)TaskX里面增加下列代碼，

TaskX()
{讀定時(shí)器的值到全局變量X；
…
全局變量X清0；
延時(shí)；
}

uC／OS有一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘(一般為10～100Hz)，每次時(shí)鐘中斷時(shí)就執(zhí)行一定的代碼。而其中的OSTimeTickHook()是預(yù)留給開(kāi)發(fā)者的。我們可以利用這個(gè)函數(shù)來(lái)做以下的事情： OSTimeTickHook()
{

if(當(dāng)前定時(shí)器的值一全局變量X>=預(yù)定時(shí)間){
處理，
﹜
﹜

這樣可以有效地防止系統(tǒng)因?yàn)閭€(gè)別任務(wù)內(nèi)部出問(wèn)題而全面崩潰，其實(shí)質(zhì)是一種超時(shí)控制。

3 小 結(jié)

利用uC／OS提供的系統(tǒng)特征，可以簡(jiǎn)化多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，滿足多個(gè)任務(wù)的時(shí)間要求，大大降低了開(kāi)發(fā)難度，輕松地完成前后臺(tái)編程方法難以完成的任務(wù)。同時(shí)利用系統(tǒng)的定時(shí)中斷，設(shè)計(jì)一個(gè)超級(jí)任務(wù)來(lái)對(duì)其他任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然我們也看到，程序的可讀性和可維護(hù)性也提高了。