基于時間觸發(fā)調(diào)度改進的嵌入式編程模式

引言

目前，RTOS特別是搶先式RTOS在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是還有很大一部分產(chǎn)品使用是小型單片機。這些系統(tǒng)由于成本的限制，通常資源非常有限，比如ROM往往小丁32 KB，RAM小于2 KB，由于RTOS對每個任務(wù)都要開辟單獨內(nèi)存區(qū)域，存放任務(wù)的上下文和各任務(wù)獨立的堆棧，所以在這種系統(tǒng)中使用RTOS非常勉強。對于這些低成本資源受限系統(tǒng)通常采用“前后臺”(或者叫“超級循環(huán)”)結(jié)構(gòu)進行編程，這實際上是一種事件觸發(fā)的編程模式，當(dāng)中斷數(shù)目較多且系統(tǒng)完成的功能相對復(fù)雜時，就會使系統(tǒng)的程序編寫變得非常復(fù)雜并使系統(tǒng)運行的可預(yù)測性迅速下降。

針對這個問題，Michael J．Pont提出了一種“基于時間觸發(fā)的編程模式”，這種方法有助于降低CPU的負(fù)荷并減少存儲器的使用量，提高系統(tǒng)行為的可預(yù)測性，并使程序的結(jié)構(gòu)變得簡潔。但是在實際使用中，當(dāng)系統(tǒng)中不同的任務(wù)對時間要求差異較大時，“基于時間觸發(fā)的編程模式”難以給出簡單有效的解決方案。為此，對“基于時間觸發(fā)的編程模式”進行了改進，使之適應(yīng)性更強，可以為成本和資源受限的小型嵌入式系統(tǒng)提供統(tǒng)一且有效的編程模式。

1 傳統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)的局限性

當(dāng)不使用RTOS時，嵌入式軟件通常采用兩種傳統(tǒng)的編程結(jié)構(gòu)進行編程，一種叫“前后臺廳式”或者叫“超級循環(huán)結(jié)構(gòu)”，本質(zhì)上是事件觸發(fā)的編程方式；另一種叫時間觸發(fā)編程模式，Michael J．Pont的“基于時間觸發(fā)的編程模式”即屬于此。

在實際工作中，當(dāng)系統(tǒng)稍微復(fù)雜時，會發(fā)現(xiàn)這兩種方式都有一定局限性，下面以一個實際產(chǎn)品設(shè)計中遇到的問題為例來說明。在設(shè)計一個用于配電柜的壁裝式智能配電儀表時，CPU的程序設(shè)計需完成以下任務(wù)：

①每半秒對前顯示屏的顯示數(shù)據(jù)進行一次刷新。
②每0．1 s對DI／DO進行一次刷新。
③每0．2 s對鍵盤進行一次掃描。
④每半秒對測量數(shù)據(jù)進行一次重新采集和計算。
⑤異步串行口與上位機使用Modhus通信，速率最高1 9 200 bps。
⑥CPU通過I2C總線與時鐘芯片和EEPROM通信。
⑦CPU通過SPI總線與LED數(shù)碼管及采集芯片通信。
⑧CPU要對所采集的6路信號進行FFT變換。
⑨當(dāng)系統(tǒng)掉電時，CPU要能快速響應(yīng)，把當(dāng)前的電度底數(shù)寫入EEPROM中。

上述任務(wù)中，任務(wù)⑤和任務(wù)⑨是強實時性的，如果對串口的收發(fā)事件得不到及時響應(yīng)，接收時會導(dǎo)致字節(jié)丟失，發(fā)送時會導(dǎo)致字節(jié)間時間間隔太大，造成接收方的Modbus幀定界錯誤，對系統(tǒng)掉電事件如果不能及時響應(yīng)會造成EEPROM的寫入失敗。其他任務(wù)只要在指定的周期內(nèi)能得到執(zhí)行就行，但是任務(wù)⑧比較特殊，使用通常的8位CPU進行6種信號的FFT變換，哪怕每種信號只做128點的FFT，運算一次也要好幾秒。下面來看用傳統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上述設(shè)計時遇到的困擾。

1．1 使用“前后臺方式”進行編程

使用“前后臺方式”進行編程時，為保證任務(wù)⑤的及時性，使用了UART中斷，當(dāng)UART完成一個字節(jié)的收發(fā)后產(chǎn)生中斷，在中斷程序中將接收到的字符保存在接收緩沖區(qū)或從發(fā)送緩沖區(qū)取下一個待發(fā)字符裝入UART進行發(fā)送，對Modbus協(xié)議的處理可以單獨用一個任務(wù)在中斷外處理，這保證了巾斷程序的簡短。為保證任務(wù)⑨響應(yīng)的及時性，也必須為它安排一個中斷。因為當(dāng)系統(tǒng)掉電時，系統(tǒng)只有不到10 ms的過渡時間，系統(tǒng)如果不能在這個時間內(nèi)完成相關(guān)的操作，系統(tǒng)電壓將跌落至有效電壓以下而喪失工作能力。

安排好了后臺的中斷任務(wù)后再來看看前臺的任務(wù)如何完成。這里遇到的最大的挑戰(zhàn)是對任務(wù)⑧的處理，因為任務(wù)⑧需要的執(zhí)行時間太長了，簡單的把它當(dāng)成一個任務(wù)處理將影響系統(tǒng)對其他任務(wù)的響應(yīng)，在超級循環(huán)中的代碼結(jié)構(gòu)如下：

while(1){
任務(wù)①；
任務(wù)②；
……
任務(wù)⑧；
}

由于任務(wù)⑧執(zhí)行一次要幾秒鐘的時間，整個超級循環(huán)執(zhí)行一次至少大于任務(wù)⑧需要的時間，也就是說這個超級循環(huán)循環(huán)一次要幾秒鐘時間，將滿足不了各任務(wù)響應(yīng)時間的要求。

要解決這個問題，只有把任務(wù)⑧拆分成很多個子任務(wù)，將每個子任務(wù)的耗時壓縮到10 ms左右，并定義好各個子任務(wù)完成后的狀態(tài)，在超級大循環(huán)中每次根據(jù)狀態(tài)只執(zhí)行一個子任務(wù)，程序結(jié)構(gòu)如下：

while(1){
任務(wù)①；
任務(wù)②；
……
switch(子任務(wù)狀態(tài)){
case 子任務(wù)狀態(tài)①：
子任務(wù)①；
break；
……
case 子任務(wù)狀態(tài)②：
子任務(wù)②；
break；
……
case 子任務(wù)狀態(tài)：
子任務(wù)；
break；
}
}

這樣，就需要把一個耗時幾秒的FFT運算任務(wù)拆分成幾百個耗時10 ms左有的子任務(wù)，這顯然是不可接受的。除此之外，超級大循環(huán)結(jié)構(gòu)隱含的一個缺點就是隨著任務(wù)的增加，循環(huán)體的執(zhí)行時間是線性增加的，在實際設(shè)計中即使沒有像任務(wù)⑧那樣的高耗時任務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)功能增加時要保證系統(tǒng)響應(yīng)的及時性也是一個不小的挑戰(zhàn)。

1．2 使用“時間觸發(fā)編程模式”進行編程

“時間觸發(fā)編程模式”的核心是建立一個基丁時間觸發(fā)的合作式的任務(wù)調(diào)度器，在系統(tǒng)中盡量減少事件觸發(fā)(減少中斷的使用)，系統(tǒng)通過任務(wù)調(diào)度器完成各任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行，下面是“時間觸發(fā)編程模式”的典型程序結(jié)構(gòu)：

系統(tǒng)中每個任務(wù)都定義了優(yōu)先級、任務(wù)循環(huán)周期和任務(wù)延遲時間，系統(tǒng)定時器中斷程序SCH Updatc()按設(shè)定的節(jié)拍對任務(wù)隊列進行刷新，在超級大循環(huán)中只執(zhí)行任務(wù)調(diào)度器SCH_Dispatch_Tasks()，根據(jù)任務(wù)隊列的狀念安排任務(wù)的執(zhí)行。

這種編程結(jié)構(gòu)避免了超級大循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)時間隨代碼量的增加而線性增加的問題，但是由于任務(wù)是不可剝奪的，一旦任務(wù)啟動執(zhí)行，任務(wù)調(diào)度器只有在當(dāng)前任務(wù)完成后才有機會執(zhí)行，這就要求每個任務(wù)占用CPU的時間不能太長，否則將影響整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。所以，F(xiàn)FT運算在這種編程模式下還是必須進行有效的拆分，否則就必須提高CPU的檔次或使用可剝奪型的搶先式RTOS，這勢必造成系統(tǒng)成本的增加。那么有沒有更好的解決辦法呢?

下面的編程結(jié)構(gòu)塒“時間觸發(fā)編程模式”進行了改進，使之在不提高硬件成本的情況下，使編程人員更直觀地定義任務(wù)，減少任務(wù)特性對系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)的沖擊，使程序結(jié)構(gòu)簡單、明了并提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)速度。

2 對“時間觸發(fā)編程模式”的改進

根據(jù)多年嵌入式系統(tǒng)編程的經(jīng)驗，通常嵌入系統(tǒng)的任務(wù)可以劃分成3種類型：

①及時型任務(wù)。這類任務(wù)是事件觸發(fā)型的，一旦事件發(fā)生，系統(tǒng)必須在限定的時間內(nèi)進行響應(yīng)，對這類任務(wù)，最自然的方法就是使用中斷來完成，即定義成“前后臺方式”中的后臺任務(wù)。

②周期型任務(wù)。這類任務(wù)是時間觸發(fā)式周期型的，系統(tǒng)必須保證在指定的周期內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，“時間觸發(fā)編程模式”可以很好地滿足這類任務(wù)的需求。

③背景型任務(wù)。這類任務(wù)是非實時型的，實時性不是非常重要，系統(tǒng)在運行過程中可隨時中斷這類任務(wù)以便執(zhí)行前兩類任務(wù)，系統(tǒng)只要能充分利用資源盡最大可能快速完成這類任務(wù)即可，這類任務(wù)最適合定義成“前后臺方式”中的前臺任務(wù)。

根據(jù)以上任務(wù)分類，對“時間觸發(fā)編程模式”的改進可概括成以下需求：

◆任務(wù)分3類，1類任務(wù)優(yōu)先級最高，3類任務(wù)優(yōu)先級最低；
◆高優(yōu)先級的任務(wù)可中斷低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行，同級的任務(wù)之間不可相互剝奪；
◆實際沒計中為提高系統(tǒng)的可預(yù)測性，應(yīng)盡量減少1類任務(wù)的數(shù)量及1類任務(wù)的執(zhí)行時間；
◆為降低系統(tǒng)資源的占用，系統(tǒng)不給任務(wù)劃分單獨的堆棧空間。

以上改進的本質(zhì)是設(shè)計3個優(yōu)先級的簡單的任務(wù)調(diào)度機制，高優(yōu)先級的任務(wù)可中斷低優(yōu)先級的任務(wù)，同優(yōu)先級的任務(wù)之間不能相互剝奪，該調(diào)度機制不為每個單獨的任務(wù)保存任務(wù)上下文和單獨的堆棧，這樣可以減少該編程模式對系統(tǒng)資源的需求。

可剝奪式RTOS中的一個高優(yōu)先級任務(wù)中斷一個低優(yōu)先級的任務(wù)時，會保存好低優(yōu)先級任務(wù)的上下文并把該低優(yōu)先級任務(wù)的局部變量保存在本任務(wù)單獨的堆棧中，如果系統(tǒng)不給任務(wù)分配單獨的堆棧，如何保證高優(yōu)先級任務(wù)退出后，低優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行環(huán)境的恢復(fù)呢?

對這個問題，可以借鑒中斷的處理機制用以下辦法予以解決：

①在系統(tǒng)中設(shè)計一個定時中斷函數(shù)，該函數(shù)的功能就是執(zhí)行周期性任務(wù)的調(diào)度，該定時中斷在所有中斷中優(yōu)先級最低。

②在系統(tǒng)中設(shè)計另一個定時中斷函數(shù)，該函數(shù)的功能是刷新周期型任務(wù)的任務(wù)管理隊列，為任務(wù)調(diào)度提供支持，本定時中斷函數(shù)的優(yōu)先級在系統(tǒng)中次低。

③周期型任務(wù)就是一個函數(shù)，該函數(shù)入口的第一個操作是開中斷，允許任務(wù)執(zhí)行期間被中斷以便響應(yīng)及時型任務(wù)。

④背景型任務(wù)就是在主函數(shù)超級循環(huán)中執(zhí)行的代碼，該代碼可隨時被及時型和周期型任務(wù)中斷，當(dāng)系統(tǒng)沒有及時型任務(wù)和周期型任務(wù)時才循環(huán)執(zhí)行背景型任務(wù)的代碼。

通過以上措施，“改進型時間觸發(fā)編程模式”的程序結(jié)構(gòu)如下：


結(jié)語

使用“改進型時間觸發(fā)編程模式”進行小型嵌入式系統(tǒng)編程，就像使用RTOS進行編程一樣，設(shè)計者規(guī)劃好任務(wù)后，就可以專心于每個任務(wù)的設(shè)計，任務(wù)對處理器時間的占用可以由系統(tǒng)統(tǒng)一管理，減少任務(wù)之間的耦合，使產(chǎn)品的程序設(shè)計和改動都變得簡潔清楚。使用該編程模式很好地解決了譬裝式智能配電儀表所面臨的復(fù)雜的設(shè)計問題，證明該方法簡單有效。目前該設(shè)計模式僅僅設(shè)計了任務(wù)調(diào)度器，任務(wù)間的變量傳遞還需要使用全局變量，如果能加入信號量和消息機制，那么該模式將更加完善。