利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開發(fā)嵌入式多任務(wù)程序

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)內(nèi)核 多任務(wù) 任務(wù)構(gòu)造 嵌入式系統(tǒng)

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛使用，傳統(tǒng)的前臺(tái)/后臺(tái)程序開發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜和多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，因而常常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核（簡(jiǎn)稱實(shí)時(shí)內(nèi)核）開發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)程序。嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核提供多任務(wù)、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步、內(nèi)存管理等重要服務(wù)，使嵌入式應(yīng)用程序容易設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。內(nèi)核是管理微處理器或者微控制器時(shí)間的軟件，確保所有時(shí)間關(guān)鍵的事件盡可能高效地得到處理；允許將系統(tǒng)分成多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)處理程序的一部分，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

一、非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核

實(shí)時(shí)內(nèi)核分為兩種：非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核。這兩種內(nèi)核都由中斷服務(wù)例程（ISR）處理異步事件。在非搶占式內(nèi)核中，一個(gè)ISR使優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)就緒，并不立即將CPU控制權(quán)交給優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，而是返回到被中斷的當(dāng)前任務(wù)。只有當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行某種操作明確放棄CPU時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的新任務(wù)才得到CPU控制權(quán)。非搶占式內(nèi)核對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)時(shí)間不確定，因而極少在實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用。圖1所示為非搶占式內(nèi)核程序流程：①低優(yōu)先級(jí)任務(wù)（LPT）執(zhí)行；②低優(yōu)先級(jí)任務(wù)被中斷；③執(zhí)行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（HPT）就緒；④中斷服務(wù)例程返回到被中斷的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)；⑤低優(yōu)先級(jí)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行；⑥低優(yōu)先級(jí)任務(wù)放棄CPU；⑦高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行。

目前在大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求很高，因此采用搶占式內(nèi)核確保時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)最先執(zhí)行，使優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)總是最先得到CPU控制權(quán)。優(yōu)先級(jí)低的當(dāng)前任務(wù)能夠被優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)搶占，暫時(shí)掛起執(zhí)行，將CPU控制權(quán)交給優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)。圖2所示為搶占式內(nèi)核程序流程：①低優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行；②異步事件使任務(wù)中斷；③響應(yīng)異步事件，運(yùn)行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒；④中斷服務(wù)例程返回到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)；⑤高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行，直到它被中斷轉(zhuǎn)向執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)；⑥高優(yōu)先級(jí)任務(wù)結(jié)束，內(nèi)核切換到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)；⑦低優(yōu)先級(jí)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。

二、多任務(wù)

利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開發(fā)嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)程序，要根據(jù)明確的設(shè)計(jì)目的確認(rèn)系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)功能合理分解，構(gòu)造不同的任務(wù)，使每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)完成應(yīng)用要求的一部分功能；并根據(jù)任務(wù)相對(duì)于其他任務(wù)的重要性決定其優(yōu)先級(jí)。多個(gè)任務(wù)彼此獨(dú)立運(yùn)行，具有獨(dú)立的私有堆棧空間，在被其他進(jìn)程搶占時(shí)能夠保持任務(wù)執(zhí)行線程的上下文。

1.任務(wù)

任務(wù)是單線程序列指令形成的一個(gè)無(wú)限循環(huán)，在系統(tǒng)程序中用函數(shù)表示（如下）。任務(wù)執(zhí)行時(shí)要調(diào)用內(nèi)核提供的服務(wù)，以等待某個(gè)事件發(fā)生。事件可以是定時(shí)間，或者是另一個(gè)任務(wù)、一個(gè)中斷服務(wù)例程發(fā)出事件通知。

Void Task (void)

{

While (true) {

Run Application-specific codes;

Wait for event by calling a service provided by the kernel;

Run Application - specific codes;

}

}

2.任務(wù)管理

每個(gè)任務(wù)有5種狀態(tài)；休眠、就緒、運(yùn)行、等待、中斷。圖3所示為任務(wù)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。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)鐘脈沖發(fā)生等；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)。

實(shí)時(shí)內(nèi)核通過(guò)任務(wù)控制塊（TCB）管理任務(wù)。TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括任務(wù)的狀態(tài)、優(yōu)先、指向任務(wù)棧頂?shù)闹羔?、以及其他與內(nèi)核有關(guān)的信息。程序調(diào)用內(nèi)核服務(wù)（如調(diào)用內(nèi)核函數(shù)OSTaskCreate）創(chuàng)建任務(wù)，為此任務(wù)在內(nèi)存中分配一個(gè)TCB、進(jìn)行初始化，使任務(wù)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變到就緒狀態(tài)。任務(wù)可以在多任務(wù)執(zhí)行之前靜態(tài)創(chuàng)建，也可以在多任務(wù)執(zhí)行過(guò)程動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。

內(nèi)核為實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用程序提供任務(wù)調(diào)度和轉(zhuǎn)換、任務(wù)間通信、定時(shí)順等服務(wù)，并作為系統(tǒng)調(diào)用提供給任務(wù)使用。實(shí)時(shí)內(nèi)核以事件為基礎(chǔ)、根據(jù)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)對(duì)任務(wù)進(jìn)行切換，任務(wù)的狀態(tài)也隨之相應(yīng)改變。在實(shí)時(shí)多任務(wù)程序中，內(nèi)存中存在多個(gè)任務(wù)控制塊以及各個(gè)任務(wù)獨(dú)立的私有堆棧。進(jìn)行任務(wù)切換首先要保存CPU寄存器內(nèi)容到當(dāng)前任務(wù)堆棧，將堆棧指針保存到當(dāng)前任務(wù)的TCB中，然后從新任務(wù)的TCB中裝載堆棧指針，并將新任務(wù)上下文裝載到CPU寄存器中。這樣就從一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。任務(wù)使用這時(shí)內(nèi)核提供的定時(shí)器系統(tǒng)調(diào)用，可以保持休眠狀態(tài)一段時(shí)間，或者等待一段時(shí)間后成為就緒狀態(tài)。在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，外部中斷事件產(chǎn)生的任務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)，因而以搶占方式獲得CPU控制權(quán)。

三、任務(wù)構(gòu)造

1.I/O任務(wù)構(gòu)造

根據(jù)3種不同的I/O事件；中斷驅(qū)動(dòng)事件、輪詢事件、輸出事件來(lái)構(gòu)造I/O任務(wù)。輪詢事件通常由1個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)內(nèi)核以固定周期對(duì)此任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，輸出事件常被設(shè)計(jì)為可重入程序而不是任務(wù)；中斷驅(qū)動(dòng)事件是一類典型的異步事件。

下面將以1個(gè)簡(jiǎn)單的串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)明I/O分解，突出I/O任務(wù)構(gòu)造的重要特征。此設(shè)備分配得到1個(gè)中斷向量，在3種情況下產(chǎn)生中斷：接收到字符、輸出就緒、設(shè)備出錯(cuò)。因?yàn)椴捎脫屨际絻?nèi)核，在I/O中斷發(fā)生進(jìn)入中斷處理例程以后，程序要保存處理器狀態(tài)，并根據(jù)不同的中斷原因進(jìn)行任務(wù)調(diào)度；在中斷處理完成退出中斷處理例程之前，還要恢復(fù)處理器狀態(tài)。

設(shè)備中斷處理：

IF 接收到字符THEN

將字符放入字符接收隊(duì)列；

執(zhí)行接收任務(wù)；

IF 輸出就緒 THEN

IF 繼續(xù)輸出 THEN

送下一個(gè)字符；

ELSE

保存"設(shè)備輸出就緒"情況；

IF 設(shè)備出錯(cuò) THEN

將錯(cuò)誤狀態(tài)放入錯(cuò)誤隊(duì)列；

執(zhí)行出錯(cuò)處理任務(wù)；

接收任務(wù)：

Void Task_receive()

{

While (true){

Wait on input char queue;

If end of input string then

Process input string;

Else

Save input;

}

}

對(duì)于中斷事件要合理劃分事件的處理級(jí)別，盡可能多地在任務(wù)級(jí)處理，從而最小化系統(tǒng)中斷延遲。對(duì)這個(gè)串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)中斷的處理就是一個(gè)劃分事件到中斷級(jí)和任務(wù)級(jí)處理的例子。中斷服務(wù)例程及時(shí)響應(yīng)實(shí)時(shí)中斷，將實(shí)時(shí)要求相對(duì)低一些的事件（如字符出錯(cuò)、出錯(cuò)狀態(tài)處理）交給不同的任務(wù)處理。隊(duì)列是內(nèi)核提供的一種任務(wù)間通信結(jié)構(gòu)，支持消息發(fā)送者和接收者異步訪問(wèn)。在這里用于驅(qū)動(dòng)程序和任務(wù)之間的通信，為驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程和任務(wù)進(jìn)程提供消息緩沖。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)及時(shí)響應(yīng)中斷事件，并不關(guān)心接收任務(wù)的狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化接收任務(wù)的結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)延遲，這里將出錯(cuò)處理劃分為獨(dú)立的任務(wù)，分配不同的優(yōu)先級(jí)。

2.內(nèi)部任務(wù)構(gòu)造

系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)可以分為：①周期性任務(wù)--實(shí)時(shí)內(nèi)核基于固定周期調(diào)度的任務(wù)；②異步任務(wù)--非周期或事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)，內(nèi)核根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)度，用于處理系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的事件；③控制對(duì)象--為狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建的控制任務(wù)，用于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換；④用戶接口⑤--對(duì)應(yīng)于用戶任務(wù)，在用戶驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中，用戶任務(wù)是具有高優(yōu)先級(jí)。

在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，大部分任務(wù)是非周期或事件驅(qū)動(dòng)的異步任務(wù)，其函數(shù)形式如下：

Void Task_aperiodic ()

{

While (true){

Wait on an async data structure;

Process input;

Process output;

}

}

在異步任務(wù)中，驅(qū)動(dòng)任務(wù)的異步數(shù)據(jù)是由實(shí)時(shí)內(nèi)核提供的任務(wù)間通信數(shù)據(jù)。內(nèi)核為應(yīng)用程序提供信號(hào)量、消息隊(duì)列、消息郵箱、插口或管道等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行事件管理和任務(wù)間通信。設(shè)計(jì)這些異步任務(wù)時(shí)采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、正確定義數(shù)據(jù)能夠節(jié)省寶貴的調(diào)試時(shí)間，而且任務(wù)處理的函數(shù)不能太多，過(guò)于復(fù)雜，否則會(huì)增加調(diào)試的難度。

3.任務(wù)合并

利用任務(wù)的共同特征進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)合并，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)任務(wù)模型、減小系統(tǒng)復(fù)雜度、消除某些任務(wù)的切換開銷從而減少系統(tǒng)總體開銷。任務(wù)合并可分為：①根據(jù)時(shí)間一致合并，將同一事件激活的優(yōu)先級(jí)相同的函數(shù)合并在1個(gè)任務(wù)中；②根據(jù)控制一致合并，③根據(jù)函數(shù)一致合并，將幾個(gè)使用相同數(shù)據(jù)的函數(shù)合并，使原來(lái)共享的數(shù)據(jù)成為任務(wù)內(nèi)的局部數(shù)據(jù)，從而減少互斥。

結(jié)束語(yǔ)

目前有許多廠商提供面向嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），提供實(shí)時(shí)內(nèi)核、輸入/輸出管理器、窗口系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)言接口庫(kù)、調(diào)試器和交叉平臺(tái)編譯器的軟件包。其中實(shí)時(shí)內(nèi)核為嵌入式多任務(wù)程序提供最基本和最重要的功能。本文從利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開發(fā)多任務(wù)應(yīng)用程序的角度，對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核和任務(wù)進(jìn)行介紹，提出合理構(gòu)造任務(wù)的方法?？梢钥吹剑脤?shí)時(shí)內(nèi)核提供的服務(wù)，采用正確的開發(fā)方法，可以增加嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的功能，降低開發(fā)方法，可以增加嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的功能，降低開發(fā)難度。