μC/OS-II的多任務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析與優(yōu)先級(jí)分配

 從產(chǎn)品研發(fā)的角度，針對(duì)小資源系統(tǒng)中使用μC/OS-II的實(shí)時(shí)性和優(yōu)先級(jí)關(guān)系進(jìn)行了分析。

提出了可刪除任務(wù)的靈活應(yīng)用和可變大小任務(wù)棧的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于并行任務(wù)使用共享資源的幾種情況給出了實(shí)用解決方案。這些措施獲得了良好的任務(wù)并行性和實(shí)時(shí)響應(yīng)，節(jié)約了代碼存儲(chǔ)空間。

引言

μC/OS-II作為一種輕量級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，正隨著嵌入式微處理器性能的不斷提高和外圍資源(主要是存儲(chǔ)器資源)的不斷增加，得到越來(lái)越多的應(yīng)用。例如，原來(lái)的51系列單片機(jī)，限于6~12 MHz的主頻、12個(gè)Clock的機(jī)器周期以及有限的存儲(chǔ)器資源，使用μC/OS-II會(huì)大大加重系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，使應(yīng)用程序的運(yùn)行受到影響，特別在快速A/D轉(zhuǎn)換等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的場(chǎng)合，無(wú)法得到及時(shí)的響應(yīng)，于是才有了更輕量級(jí)的Small RTOS等操作系統(tǒng)的出現(xiàn)。

但目前更強(qiáng)勁的51內(nèi)核版本微處理器的大量出現(xiàn)，從根本上改變了這種情況。40 MHz以上的主頻，單周期指令的微處理器，加上64 KB的程序空間和8 KB以上的數(shù)據(jù)空間，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)可以流暢地運(yùn)行μC/OS-II[1]。μC/OS-II的移植版本很多，選擇一個(gè)適合系統(tǒng)CPU的版本，然后進(jìn)行正確的配置和優(yōu)化是非常重要的。

1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

本系統(tǒng)工作原理是在恒定溫度條件下，任意啟動(dòng)4個(gè)測(cè)試通道來(lái)進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的并行分析，每個(gè)測(cè)試通道的工作流程完全相同，如圖1所示。

C8051F120集成了8路12位高速A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0)和8路8位高速A/D轉(zhuǎn)換器(ADC2)。系統(tǒng)要求對(duì)4個(gè)光學(xué)傳感器輸出進(jìn)行采樣，ADC0可以構(gòu)成4個(gè)差分測(cè)試通道以滿(mǎn)足需求。系統(tǒng)還要求能對(duì)2路溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，用于監(jiān)控2個(gè)外部溫度傳感器的輸出電壓： 一個(gè)保證測(cè)試部分的溫度恒定在37±0.2 ℃，通過(guò)對(duì)加熱組件的PWM控制來(lái)完成;另一個(gè)用于監(jiān)測(cè)機(jī)箱溫度，在32 ℃以上時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，30 ℃以下關(guān)閉風(fēng)扇。

圖1 通道工作流程

從圖1中可以看出，完整的流程包括信息輸入、樣本預(yù)溫、通道啟動(dòng)、試劑添加、微分測(cè)量、結(jié)果處理6個(gè)階段。其中前4個(gè)屬于操作階段，操作者通過(guò)每個(gè)通道的進(jìn)度條、轉(zhuǎn)動(dòng)條和狀態(tài)標(biāo)志塊，在LCD界面上獲得明確的操作指示，確保每個(gè)通道的正確操作。

要求在通道啟動(dòng)后，能精確地每隔0.1 s完成一次采樣并處理數(shù)據(jù)，所以每個(gè)通道的最長(zhǎng)處理時(shí)間不能超過(guò)25 ms，且軟件微分法需要較高的A/D轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性。C8051F120中的A/D最高采樣速率可達(dá)100 ksps，約10 μs/次，因此可采用過(guò)采樣后的高平滑，同時(shí)提高精度和穩(wěn)定性。簡(jiǎn)單地計(jì)算，如果每個(gè)通道采樣1 024次后平均計(jì)算，則4個(gè)通道的A/D總速率為：ADMAX=1 024×4×10=40 ksps。

理論上來(lái)說(shuō)，即使把采樣次數(shù)再加倍，仍然略小于100 ksps，但考慮到每次A/D中斷后，中斷服務(wù)程序都要簡(jiǎn)單地處理采樣數(shù)據(jù)，然后才能啟動(dòng)下一次A/D轉(zhuǎn)換，所以實(shí)際轉(zhuǎn)換速度是不能達(dá)到100 ksps的。通過(guò)調(diào)試，合理的選擇為每個(gè)采樣點(diǎn)取1 024次平滑濾波。實(shí)際處理中，把A/D轉(zhuǎn)換精度從12位擴(kuò)展到了16位，以滿(mǎn)足0~2 000 mV范圍內(nèi)0.1 mV的精度和穩(wěn)定性，這可以簡(jiǎn)單地通過(guò)改變求均值時(shí)的右移次數(shù)和擴(kuò)大滿(mǎn)量程基數(shù)來(lái)完成[2]。

除了實(shí)時(shí)性的要求必須得到嚴(yán)格滿(mǎn)足外，有很多因素需要一并考慮。例如每個(gè)通道測(cè)試過(guò)程中的圖形動(dòng)態(tài)顯示，通道測(cè)試過(guò)程中的鍵值交叉處理，獨(dú)立于測(cè)試之外的實(shí)時(shí)溫度控制，耗時(shí)較多的測(cè)試結(jié)果傳送和打印等，這些人為操作和功能處理均不能中斷，或影響正在測(cè)試的通道每0.1 s一次的數(shù)據(jù)采樣。另外，還必須提供一項(xiàng)強(qiáng)制結(jié)束功能：在任何測(cè)試階段按Exit鍵，確認(rèn)后可退出所有測(cè)試。

總體上看，系統(tǒng)在各個(gè)通道共用1個(gè)鍵盤(pán)、1個(gè)串口、1個(gè)打印機(jī)、1個(gè)LCD顯示器、1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的條件下，能進(jìn)行獨(dú)立控制，互不干擾地進(jìn)行各自的測(cè)試、計(jì)算、顯示、傳送和輸出，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和并行性要求。

2 內(nèi)存分配

μC/OS-II最多有64個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，根據(jù)版本的不同可供用戶(hù)使用的優(yōu)先級(jí)有56~62個(gè)。每個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)不能相同，最大優(yōu)先級(jí)數(shù)即用戶(hù)的最大任務(wù)數(shù)[1]。

每個(gè)任務(wù)必須有自己的任務(wù)棧，任務(wù)棧由系統(tǒng)物理?xiàng)？截悈^(qū)和模擬棧兩部分組成，是μC/OS-II移植的核心內(nèi)容[3-4]，因此任務(wù)的多少直接影響數(shù)據(jù)RAM的需求。在本系統(tǒng)中，物理?xiàng)？截悈^(qū)為64字節(jié)，模擬?？梢园才?6~64字節(jié)，這種可變大小任務(wù)棧稍后分析。

C8051F120微處理器帶有8 KB的RAM，系統(tǒng)沒(méi)有擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。首先分析一下系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存的需求情況：

① 系統(tǒng)顯示部分使用了240×128點(diǎn)陣的LCD模塊和圖形GUI，如果建立完整的顯示緩沖區(qū)，需要240/8×128=3 840字節(jié)，約4 KB的RAM空間;

② Flash除了用作程序存儲(chǔ)器外，剩下的部分作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。每個(gè)Flash塊為1 KB，故需要1 KB的RAM作為Flash的讀寫(xiě)緩沖區(qū);

③ GUI自身約占去了1 KB內(nèi)存;

④ 傳感器響應(yīng)曲線(xiàn)需打印，其點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)打印機(jī)384個(gè)點(diǎn)行)約占1 KB。

以上共占用7 KB，最終僅剩下1 KB的RAM留給操作系統(tǒng)以及用戶(hù)函數(shù)，這顯然不夠?？赏ㄟ^(guò)優(yōu)化GUI的驅(qū)動(dòng)，去掉LCD的顯示緩沖區(qū)，增加4 KB的RAM，以滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。

3 可變?nèi)蝿?wù)棧和任務(wù)劃分

3.1 可變大小任務(wù)棧

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中不會(huì)建立60個(gè)以上的任務(wù)。從簡(jiǎn)單的角度考慮，應(yīng)用μC/OS-II時(shí)，建立的所有任務(wù)均駐留不刪除，使用足夠大并且同樣大小的堆棧。這種處理任務(wù)的方法會(huì)對(duì)內(nèi)存數(shù)量提出較高要求。例如50個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)棧均為128字節(jié)，則需要6 KB的RAM。

本著這樣一個(gè)原則來(lái)改進(jìn)任務(wù)劃分：不需要駐留的任務(wù)運(yùn)行完畢即刪除，可以自身刪除，也可以在別的任務(wù)里刪除。這種任務(wù)處理不僅可以重用任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還可以重用任務(wù)堆棧，并且減少同時(shí)運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量。

刪除任務(wù)的辦法不僅可獲得共享的任務(wù)棧資源，而且也是一個(gè)方便中止某些應(yīng)用程序的手段，前面提及的任何測(cè)試階段按Exit鍵退出所有測(cè)試的動(dòng)作，就可以依靠刪除任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

把任務(wù)看作有大小的，這里的“大小”指需要“重入”到任務(wù)堆棧的變量的數(shù)量。如果每一個(gè)任務(wù)都使用相同大小的任務(wù)棧，對(duì)小任務(wù)而言顯然是在浪費(fèi)寶貴的RAM，大小可變的任務(wù)棧才是經(jīng)濟(jì)合理的。[!--empirenews.page--]

首先，在os_cfg.h頭文件中增加大、小兩個(gè)宏參數(shù)，如果需要更多不同的棧大小，還可以繼續(xù)增加參數(shù)。

#define MaxStkSize128//大任務(wù)棧

#define MinStkSize80//小任務(wù)棧

然后定義任務(wù)棧時(shí)使用它們：

OS_STK TaskDelStk1[MinStkSize];

OS_STK TaskDelStk2[MaxStkSize];

TaskDelStk1和TaskDelStk2是兩個(gè)可刪除任務(wù)所使用的任務(wù)棧，一個(gè)80字節(jié)，另一個(gè)128字節(jié)。

接下來(lái)是關(guān)鍵，要在任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit中進(jìn)行處理：定義一個(gè)全局整型變量STK_SIZE，創(chuàng)建任務(wù)前給它賦值，任務(wù)創(chuàng)建時(shí)執(zhí)行的OSTaskStkInit函數(shù)用它來(lái)初始化模擬棧的長(zhǎng)度。

修改前，OSTaskStkInit中的?C_XBP仿真堆棧指針(即模擬棧指針)的初始化語(yǔ)句如下：

*stk++ = (INT16U) (ptos + MaxStkSize) >> 8;//MaxStkSize是固定的棧長(zhǎng)度

*stk++ = (INT16U) (ptos + MaxStkSize) & 0xFF;

注意：ptos是任務(wù)棧棧底，模擬棧從任務(wù)堆棧的另一頭開(kāi)始。

修改后變?yōu)椋?/p>

*stk++ = (INT16U) (ptos + STK_SIZE) >> 8;//指針高8位

*stk++ = (INT16U) (ptos + STK_SIZE) & 0xFF;//指針低8位

創(chuàng)建任務(wù)前要給STK_SIZE賦予堆棧定義匹配的棧長(zhǎng)度值，否則，會(huì)因?yàn)槎褩２荒苷_初始化導(dǎo)致任務(wù)崩潰。不同大小的任務(wù)棧結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出區(qū)別在于模擬棧不同。

圖2 可變大小任務(wù)棧結(jié)構(gòu)

利用可變大小任務(wù)棧創(chuàng)建一個(gè)小堆棧任務(wù)，示例如下：

STK_SIZE=MinStkSize;//提供堆棧大小值

/*創(chuàng)建帶TimeLimit參數(shù)的，分配有任務(wù)棧TaskDelStk1，優(yōu)先級(jí)為10的任務(wù)OverTime*/

OSTaskCreate(OverTime,(void*)&TimeLimit, &TaskDelStk1[0],10);

3.2 系統(tǒng)任務(wù)劃分

用戶(hù)任務(wù)分為兩類(lèi)： 一類(lèi)任務(wù)是常駐任務(wù)，即創(chuàng)建后不用刪除的任務(wù);另一類(lèi)是可刪除任務(wù)，運(yùn)行時(shí)建立，運(yùn)行完刪除，該任務(wù)資源又可用來(lái)創(chuàng)建新的任務(wù)。

4 任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配

優(yōu)先級(jí)的合理分配圍繞實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行，因?yàn)榭捎脙?yōu)先級(jí)較多，所以任務(wù)優(yōu)先級(jí)之間可取較大間隔。這樣當(dāng)有更多的任務(wù)加入時(shí)，能安排在這些間隔中，不用改變已有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。本系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)關(guān)系可以按由高到低順序依次排列： 鍵盤(pán)掃描任務(wù)，超時(shí)檢測(cè)任務(wù)， A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)，主任務(wù)，各通道測(cè)試任務(wù)，數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)，溫度檢測(cè)任務(wù)，日期時(shí)間顯示任務(wù)，如圖3所示。

圖3 任務(wù)關(guān)系示意圖

常駐任務(wù)一般是固定優(yōu)先級(jí)，而可刪除任務(wù)每一次創(chuàng)建時(shí)卻能夠?qū)?yīng)不同的任務(wù)函數(shù)和優(yōu)先級(jí)，且使用同一個(gè)任務(wù)棧。

一個(gè)任務(wù)函數(shù)可用于多個(gè)任務(wù)，這種“重用”的特性在獲得任務(wù)并行性的同時(shí)，最大限度地節(jié)約了代碼。本系統(tǒng)只有一個(gè)測(cè)試函數(shù)，卻構(gòu)成了4個(gè)并行的通道任務(wù)。這些任務(wù)都是進(jìn)入測(cè)試菜單后隨著各自通道鍵被按下后在主任務(wù)中創(chuàng)建的，復(fù)用的4個(gè)測(cè)試函數(shù)接受任務(wù)創(chuàng)建時(shí)主任務(wù)傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)，為本通道的計(jì)算、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列工作服務(wù)。

5 資源共享的處理

ADC0、LCD、打印機(jī)和串口等資源被4個(gè)測(cè)試任務(wù)所共享。資源共享有一些經(jīng)典的方法(如信號(hào)量、全局變量等)，需要根據(jù)實(shí)際需求靈活運(yùn)用。

本系統(tǒng)的處理如下：

① 對(duì)于ADC0，在A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)中每0.1 s輪流掃描4個(gè)通道一次，產(chǎn)生4個(gè)郵箱消息發(fā)往各自通道任務(wù)，以讀取對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。0.1 s的精確定時(shí)由定時(shí)器中斷獲得，中斷服務(wù)發(fā)出信號(hào)量啟動(dòng)AD任務(wù)。一次掃描完成后A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)掛起，直至下一次信號(hào)量到來(lái)。

② 對(duì)于LCD，情況要復(fù)雜一些，每個(gè)測(cè)試任務(wù)都要在LCD的各自區(qū)域顯示，但是LCD不能實(shí)現(xiàn)2個(gè)以上位置同時(shí)進(jìn)行顯示處理，所以當(dāng)涉及顯示過(guò)程時(shí)需要禁止任務(wù)切換，否則會(huì)造成顯示混亂。例如，當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的顯示工作還沒(méi)有完成時(shí)，若發(fā)生了任務(wù)切換，則高優(yōu)先級(jí)任務(wù)去進(jìn)行另一個(gè)顯示。當(dāng)重新切換回低優(yōu)先級(jí)任務(wù)后就沒(méi)有辦法繼續(xù)未完的顯示，因?yàn)轱@示位置已經(jīng)被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所改變。

③ 對(duì)于打印機(jī)和串口，也有類(lèi)似的問(wèn)題，不允許一個(gè)結(jié)果尚未打印完成又去打印另一個(gè)結(jié)果。禁止任務(wù)切換的辦法不適合這里，因?yàn)榇蛴『蛡魉秃臅r(shí)比LCD顯示長(zhǎng)很多，禁止任務(wù)切換會(huì)影響到測(cè)試的實(shí)時(shí)性，它們單獨(dú)建立后臺(tái)任務(wù)的原因也在于此。

數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)循環(huán)掃描各個(gè)通道的請(qǐng)求服務(wù)標(biāo)志，當(dāng)標(biāo)志有效時(shí)即為該通道服務(wù)，服務(wù)完畢清除該標(biāo)志，因數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)的優(yōu)先級(jí)較低而不會(huì)對(duì)其他測(cè)試任務(wù)造成任何影響。被服務(wù)的通道測(cè)試任務(wù)循環(huán)檢測(cè)請(qǐng)求服務(wù)標(biāo)志，檢測(cè)到標(biāo)志被清除后才可以繼續(xù)下次測(cè)試，表示此次數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出。其他高優(yōu)先級(jí)測(cè)試任務(wù)不會(huì)影響打印過(guò)程，因?yàn)橄葯z測(cè)到標(biāo)志的通道獨(dú)占資源，直至傳送和打印完成后，打印任務(wù)才去檢測(cè)下一個(gè)標(biāo)志;高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的輸出請(qǐng)求要等低優(yōu)先級(jí)輸出完畢才能得到響應(yīng)，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)在這里是正確的。

6 結(jié)論

本文從嵌入式系統(tǒng)的并行程序出發(fā)，結(jié)合實(shí)時(shí)性的要求，討論了μC/OS-II操作系統(tǒng)環(huán)境下的任務(wù)劃分和優(yōu)先級(jí)確定的相關(guān)問(wèn)題，提出了一些在μC/OS-II中用于減少資源耗用和同時(shí)運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量的改進(jìn)措施。實(shí)踐證明，這些措施可以充分發(fā)揮μC/OS-II小巧精悍的特點(diǎn)，提高程序代碼的重用性，節(jié)約寶貴的RAM資源。

本系統(tǒng)與采用雙通道測(cè)試、沒(méi)有RTOS、采用前后臺(tái)方式解決并行問(wèn)題的方法比較[5]，后者占用了54 KB代碼，在人機(jī)界面和并行度上均不及前者。前者在加入了μC/OS-II和GUI，并能進(jìn)行四通道測(cè)試的情況下，僅有59 KB代碼;排除更大的漢字庫(kù)容量后，實(shí)際代碼大小幾乎與原來(lái)相同，性能卻有了很大的提高。