嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進

1 μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)的分類

μC／OS-Ⅱ中每個任務(wù)有5種狀態(tài)：休眠(DORMANT)、就緒(READY)、運行(RUNNING)、等待(WAITING)、中斷(ISR)。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準備執(zhí)行，優(yōu)先級低于當前執(zhí)行的任務(wù)，沒有得到CPU控制權(quán)；任務(wù)得到CPU控制權(quán)后就處于運行狀態(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、時鐘周期到等；任務(wù)執(zhí)行過程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。

2 μC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進

2．1 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點

在數(shù)控系統(tǒng)中，任務(wù)可分為兩種：周期運行的任務(wù)和信號觸發(fā)運行的任務(wù)，這里所說的信號即包括硬件信號，也包括軟件信號。周期運行的任務(wù)有定時信號采樣、定時I／O口掃描、定時通信等。信號觸發(fā)運行的任務(wù)有中斷信號(硬件信號)觸發(fā)的中斷服務(wù)任務(wù)，命令消息信號(軟件信號)觸發(fā)的命令解釋任務(wù)等。另外，數(shù)控系統(tǒng)中，有些任務(wù)還具有運行時間短，運行頻率高，要求實時性高的特點，如信號采樣、數(shù)控機床中的插補控制等。

2．2 改進后的任務(wù)劃分

在改進后的嵌入式操作系統(tǒng)中任務(wù)分為兩類：普通任務(wù)和搶占式任務(wù)。普通任務(wù)指通過操作系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度運行的任務(wù)，調(diào)度方法如圖1所示；搶占式任務(wù)指那些不通過調(diào)度器調(diào)度運行，而是在中斷處理中直接運行的任務(wù)。下面詳細說明這兩種任務(wù)。


2．2．1 普通任務(wù)

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)多為周期任務(wù)和信號觸發(fā)任務(wù)這一特點，將普通任務(wù)分為兩種：定時運行的周期任務(wù)(簡稱周期任務(wù))和信號觸發(fā)運行的隨機任務(wù)(簡稱隨機任務(wù))。相應(yīng)的，任務(wù)狀態(tài)被劃分為6種：運行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)、停止態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。圖1為改進后的任務(wù)狀態(tài)切換圖。

在這六種狀態(tài)中，運行態(tài)、就緒態(tài)和中斷態(tài)對應(yīng)μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；掛起態(tài)是任務(wù)在執(zhí)行完成前，因等待某事件或資源而被迫停止運行，等待事件或資源到來的狀態(tài)；等待態(tài)是周期任務(wù)完成一次運行，等待運行周期到再次運行時的狀態(tài)；停止態(tài)是隨機任務(wù)等待其觸發(fā)信號的狀態(tài)。這里去掉了休眠態(tài)，即沒有任務(wù)的刪除，所有的任務(wù)一旦建立，在系統(tǒng)運行期間一直存在。這樣的處理是因為在數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中，所有建立的任務(wù)一定是有用的，即在系統(tǒng)運行期間一定會被執(zhí)行，無用的代碼和任務(wù)不會被添加。在μC／OS-Ⅱ中，設(shè)定每個任務(wù)都是一個無限的循環(huán)，即任務(wù)函數(shù)永不返回，這樣做是不合適的。該操作系統(tǒng)允許任務(wù)函數(shù)返回，返回后調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)根據(jù)任務(wù)的類別，把周期任務(wù)放入等待隊列，把隨機任務(wù)放入停止隊列。

2．2．2 搶占式任務(wù)

搶占式任務(wù)為執(zhí)行時間短且執(zhí)行頻率高于OS系統(tǒng)時鐘頻率(如信號采樣)，或?qū)崟r要求高(如數(shù)控機床中的插補控制)的任務(wù)。調(diào)度任務(wù)時間(主要是任務(wù)切換所花費的時間)往往比這類任務(wù)運行一次的時間還多，這顯然是不合理的，搶占式任務(wù)正是為解決這種不合理而設(shè)計的。搶占式任務(wù)不通過OS調(diào)度器調(diào)度運行，也不采用TCB(任務(wù)控制塊)標識它們，而是在它們的中斷觸發(fā)信號到達時，在中斷中_直接處理，這樣做節(jié)省了調(diào)度、任務(wù)切換的時間。但是，由于搶占式任務(wù)沒有TCB，也就沒有相應(yīng)的任務(wù)堆棧，所以搶占式任務(wù)在使用資源上要特別注意：一定要使用獨立的資源。這樣既可以使搶占式任務(wù)正常運行，又可以避免搶占式任務(wù)對被中斷程序的環(huán)境造成破壞。具體辦法如下：

(1)專用寄存器組。若處理程序中使用了寄存器，則為其分配專用的寄存器組，這樣也省去了保存／恢復(fù)寄存器的時間消耗。