實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的改進與應(yīng)用研究

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大多采用單任務(wù)順序機制，應(yīng)用程序是一個無限的大循環(huán)，所有的事件都按順序執(zhí)行，與時間相關(guān)性較強的事件靠定時中斷來保證。

由此帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性較差;尤其當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜，且對實時性要求較嚴(yán)格時，這種單任務(wù)機制的弱點暴露無遺。本文引入的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II是一個多任務(wù)的實時內(nèi)核，主要提供任務(wù)管理功能。在實時系統(tǒng)中的多個任務(wù)，必須決定這些任務(wù)的優(yōu)先級順序，任務(wù)調(diào)度算法需要動態(tài)為就緒任務(wù)的優(yōu)先級排序。為了滿足對實時性要求越來越高的需要，同時避免頻繁改變就緒任務(wù)的優(yōu)先級，在分析μC/OS-II源代碼的基礎(chǔ)上，對其調(diào)度算法進行改進。

1 μC/OS-II概述

μC/OS-II是一個完整的，可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務(wù)內(nèi)核;支持56個用戶任務(wù)，支持信號量、郵箱、消息隊列等常用的進程間通信機制;適用于各種微控制器和微處理器;所有代碼用ANSI C語言編寫，程序的可讀性強，具有良好的可移植性，已被移植到多種處理器架構(gòu)中，在某些實時性要求嚴(yán)格的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 工作原理

μC/OS-II的核心工作原理是：近似地讓最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)處于運行狀態(tài)。首先初始化MCU，再進行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務(wù)控制塊TCB初始化，TCB優(yōu)先級表初始化，TCB鏈表初始化，事件控制塊(ECB)鏈表初始化，空任務(wù)的創(chuàng)建等。然后，開始創(chuàng)建新任務(wù)，并可在新創(chuàng)建的任務(wù)中再創(chuàng)建其他新任務(wù)。最后，訶用OSStart()函數(shù)啟動多任務(wù)調(diào)度。在多任務(wù)調(diào)度開始后，啟動時鐘節(jié)拍源開始計時，此節(jié)拍源給系統(tǒng)提供周期性的時鐘中斷信號，實現(xiàn)延時和超時確認(rèn)。

1.2 任務(wù)調(diào)度

操作系統(tǒng)在下面的情況下進行任務(wù)調(diào)度：中斷(系統(tǒng)占用的時間片中斷OSTimeTick()、用戶使用的中斷)和調(diào)用API函數(shù)(用戶主動調(diào)用)。一種是當(dāng)時鐘中斷來臨時，系統(tǒng)把當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)掛起，保護現(xiàn)場，進行中斷處理，判斷有無任務(wù)延時到期;若沒有別的任務(wù)進入就緒態(tài)，則恢復(fù)現(xiàn)場繼續(xù)執(zhí)行原任務(wù)。另一種調(diào)度方式是任務(wù)級的調(diào)度，即調(diào)用API函數(shù)(由用戶主動調(diào)用)，足通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器在任務(wù)執(zhí)行中調(diào)度。當(dāng)沒有任何任務(wù)進入就緒態(tài)時，就去執(zhí)行空任務(wù)。

2 調(diào)度算法的改進

2.1 實時系統(tǒng)的調(diào)度策略

在操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度算法的設(shè)計上，要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求來確定調(diào)度策略。實時調(diào)度策略按不同的方法可以分為：靜態(tài)/動態(tài)，基于優(yōu)先級/不基于優(yōu)先級，搶占式/非搶占式，單處理器/多處理器。其中，靜態(tài)是指在任務(wù)的整個生命期內(nèi)優(yōu)先級保持不變，任務(wù)的優(yōu)先級是在系統(tǒng)建立任務(wù)時確定的;動態(tài)是指在任務(wù)的生命期內(nèi)，隨時確定或改變它的優(yōu)先級別，以適應(yīng)系統(tǒng)工作環(huán)境和條件的變化。

μC/OS-II系統(tǒng)采用的是靜態(tài)優(yōu)先級分配策略，由用戶來為每個任務(wù)指定優(yōu)先級。雖然任務(wù)的優(yōu)先級可通過OSTaskChangePrio()函數(shù)改變，但函數(shù)功能簡單，僅以用戶指定的新優(yōu)先級來替換任務(wù)當(dāng)前的優(yōu)先級。隨著實時嵌入式技術(shù)的發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)的實時性要求越來越高，多樣化的調(diào)度方法己成為一種趨勢。本文討論動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度中的最優(yōu)算法截止期最早優(yōu)先算法的改進及其在μC/OS-II中的實現(xiàn)。

2.2 調(diào)度算法的改進

截止期最早優(yōu)先算法是動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中的最優(yōu)算法。在截止期最早優(yōu)先算法中，系統(tǒng)按任務(wù)的截止期給每個任務(wù)分配優(yōu)先級。任務(wù)的截止期越早其優(yōu)先級越高，反之亦然。為此，在本文所述截止期最早優(yōu)先算法的改進中.需在μC/OS-II系統(tǒng)中增加表l所列的項目。

在截止期最早優(yōu)先算法中，需要用戶為任務(wù)指定其截止期。在本改進中，將OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()中的參數(shù)INT8U Prio改為INT8U deadline，并在函數(shù)內(nèi)定義局部變量INT8U Prio來記錄分配給任務(wù)的優(yōu)先級。該算法改進也要在系統(tǒng)中增加OSTaskPrioCreate()函數(shù)，函數(shù)優(yōu)先級分配的方法是按任務(wù)的截止期分配。該模塊流程如圖l所示。

在對就緒任務(wù)優(yōu)先級進行調(diào)整時，該模塊首先在數(shù)組中對任務(wù)的優(yōu)先級完成調(diào)整并記錄任務(wù)優(yōu)先級的調(diào)整情況。在執(zhí)行此函數(shù)后，就緒任務(wù)隊列中任務(wù)的優(yōu)先級可能會改變，園此還需要在μC/OS-II系統(tǒng)中添加prio_adjust()函數(shù)。該函數(shù)應(yīng)用μC/OS-II系統(tǒng)原有的函數(shù)OSTaskChangePrio()來更新就緒任務(wù)，代碼如下：

為防止多個任務(wù)同時調(diào)用OSTaskPrioCreate()函數(shù)造成混亂，這段代碼應(yīng)按臨界資源來處理，需要在調(diào)用前關(guān)中斷，調(diào)用后再開中斷。

3 應(yīng)用及評價

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在液壓測量控制HPMC模塊中，系統(tǒng)要求在18ms內(nèi)完成對7個位置的傳感器和用戶鍵盤數(shù)據(jù)的實時采集、處理及顯示;且對于采集到的不同測量數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的緊迫程度，作出優(yōu)先級不同的實時響應(yīng)。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由外向內(nèi)分為3層：硬件電路層、任務(wù)層和操作系統(tǒng)層。

硬件電路層主要包括HPMC模塊、用戶操作、單片機控制模塊。大致功能如下：HPMC模塊主要完成傳感器數(shù)據(jù)的實時采集;用戶模塊主要完成用戶的操作;單片機控制模塊用于控制數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送、短消息的收發(fā)等。

任務(wù)層并行存在lO個任務(wù)，每個任務(wù)均由以下3部分組成：應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊，主要完成任務(wù)優(yōu)先權(quán)的動態(tài)設(shè)置以及任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

操作系統(tǒng)層的設(shè)計主要是將μC/OS-II移植到單片機上。本系統(tǒng)采用Atmel公司的MCS-5l系列兼容單片機，同時完成各個任務(wù)的具體編程。[!--empirenews.page--]

3.2 算法評估

選擇用動態(tài)調(diào)度還是靜態(tài)調(diào)度是很重要的，這會對系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響。靜態(tài)調(diào)度對時間觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計很適合，而動態(tài)調(diào)度對事件觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計很適合。靜態(tài)調(diào)度必須事先仔細(xì)設(shè)計，并要花很大的力氣考慮選擇各種各樣的參數(shù);動態(tài)調(diào)度不要求事先作多少工作，而是在執(zhí)行期間動態(tài)地作出決定。

在HPMC模塊中，由于需對現(xiàn)場采集到的測量數(shù)據(jù)進行實時處理，故對系統(tǒng)的實時性提出了很高的要求。若采用μC/OS-II的靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法，當(dāng)系統(tǒng)中任務(wù)優(yōu)先級變化時則顯得無能為力;同時通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用表明，改進后系統(tǒng)的實時性得到了極大改善。

結(jié)語

本文針對μC/OS-II靜態(tài)調(diào)度算法進行改進，在系統(tǒng)中實現(xiàn)了截止期優(yōu)先調(diào)度算法。通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，表明這種改進能明顯提高系統(tǒng)的實時性;但是改進后的算法對系統(tǒng)的內(nèi)存、CPU等提出了更高的要求，存在一定的局限性。