基于μC/OSⅡ的實時任務(wù)模型研究與應(yīng)用

　　0 引 言

　　由于實時程序運行機制與傳統(tǒng)程序相比具有獨特性，在實時應(yīng)用程序開發(fā)和相關(guān)教學(xué)實踐中，如何根據(jù)應(yīng)用需求和系統(tǒng)功能設(shè)計，確立實時程序結(jié)構(gòu)，完成代碼的設(shè)計與實現(xiàn)則是一個首要的、關(guān)鍵的問題。軟件設(shè)計者常因缺乏簡易、實用的實時軟件開發(fā)基本方法，難以快速建立全面、系統(tǒng)的開發(fā)思路和實施步驟?，F(xiàn)有實時內(nèi)核技術(shù)及其應(yīng)用軟件開發(fā)資料篇幅較大，技術(shù)細節(jié)多，學(xué)習(xí)周期長，可操作性較差，一定程度上影響軟件開發(fā)者的工作進度。需要一種簡便易行、行之有效、可操作性強的開發(fā)方法，以便為快速全面了解、掌握實時軟件開發(fā)流程提供指南。

　　為此，通過分析實時軟件核心技術(shù)，結(jié)合μC／OsⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核，提出一個實時程序任務(wù)模型。依據(jù)該模型，確立實時任務(wù)功能及處理流程，調(diào)用實時內(nèi)核，確立一個實時應(yīng)用程序基本結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)實時程序運行機制，最終完成一個實時應(yīng)用軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，并提供一個簡單范例應(yīng)用該任務(wù)模型。

　　1 實時軟件技術(shù)及實時軟件構(gòu)成

　　實時軟件開發(fā)環(huán)境一般采用實時操作系統(tǒng)(RTOS)作為系統(tǒng)開發(fā)和運行支持平臺，支持模塊化開發(fā)，提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，便于程序的調(diào)試、維護，使實時性能得到保證，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。RTOS為每個任務(wù)建立一個可執(zhí)行環(huán)境，并可方便地在任務(wù)間傳遞消息，在中斷處理程序和任務(wù)間傳遞事件，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級實施搶占調(diào)度。

　　從實時操作系統(tǒng)(Real-time OS)的內(nèi)核功能、實現(xiàn)方法和運行機制可得其目標(biāo)包括：按照搶占優(yōu)先級策略控制管理實時應(yīng)用程序每個并發(fā)任務(wù)的運行；每個任務(wù)在多長時限可以完成或得到響應(yīng)。任務(wù)時限(dead-line)是實現(xiàn)每個實時任務(wù)必備的性能指標(biāo)。

　　時限可以分為硬時限(Hard Deadline)和軟時限(Soft Deadline)。具有硬截止時間的任務(wù)即為關(guān)鍵任務(wù)，如果不能滿足時限，則視為系統(tǒng)錯誤。根據(jù)任務(wù)設(shè)置的重要程度，將擁有關(guān)鍵任務(wù)的實時系統(tǒng)稱為硬實時系統(tǒng)，否則稱為軟實時系統(tǒng)。

　　硬實時技術(shù)應(yīng)用廣泛。例如：航空導(dǎo)航、武器控制等應(yīng)用系統(tǒng)，必須使用實現(xiàn)硬實時技術(shù)的操作系統(tǒng)，將計算、存儲、顯示和機電控制系統(tǒng)以嚴(yán)格時限組合為一個系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)運行方式與硬實時系統(tǒng)基本相同，區(qū)別在于只須滿足統(tǒng)計意義上的實時要求。軟實時系統(tǒng)一般要求滿足時限的概率達到90％。比如，媒體播放系統(tǒng)一般要求1 s播放24幀圖像。如果數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)嚴(yán)重負載的情況下，不能在1 s內(nèi)處理24幀，造成播放失真。如果DVD播放正確率達到95％，用戶就能基本滿意。

　　實時應(yīng)用系統(tǒng)能否滿足實時性能的要求，可從以下指標(biāo)進行考察。

　　1．1 中斷延遲

　　從一個外部事件發(fā)生到響應(yīng)中斷處理函數(shù)的第一條指令開始執(zhí)行，這段時長稱為中斷延遲。很多實時任務(wù)由中斷驅(qū)動執(zhí)行，中斷事件必須在限定的時限內(nèi)處理，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

　　例如，設(shè)定烤箱溫度達到300℃時自動切斷電源。從傳感器探測到該極限溫度，到系統(tǒng)進入切斷電源的中斷處理程序，其間系統(tǒng)處理這個時長即為中斷延遲。顯然，這個時長對烤箱設(shè)備的使用安全至關(guān)重要。

　　1．2 搶占延遲

　　從一個外部事件發(fā)生到處理該事件任務(wù)的第一條指令開始執(zhí)行，這段時長稱為搶占延遲。大多數(shù)實時系統(tǒng)都是處理一些周期性或非周期性的重復(fù)事件，事件觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行。每當(dāng)事件發(fā)生，相應(yīng)的處理任務(wù)必須及時得到調(diào)度執(zhí)行，否則將無法滿足時限。搶占延遲反映系統(tǒng)響應(yīng)的及時程度。

　　例如：μC／OSⅡ某實時應(yīng)用程序有如下功能，按照設(shè)定周期，需要運行統(tǒng)計任務(wù)對程序運行部分結(jié)果進行統(tǒng)計，從時鐘到時，事件發(fā)生，到統(tǒng)計任務(wù)開始運行這段時間即為搶占延遲，這個時長決定統(tǒng)計結(jié)果誤差的大小。

　　圖1表示實時軟件設(shè)計編程和運行層次結(jié)構(gòu)。該圖對實現(xiàn)實時應(yīng)用程序功能設(shè)計接口和運行機制進行層次劃分。指明基于操作系統(tǒng)內(nèi)核進行應(yīng)用開發(fā)的編程層次和接口。從而形成實時應(yīng)用程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　實現(xiàn)具體實時應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯一般采用分解任務(wù)的方法。將一個實時應(yīng)用功能劃分為多個并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)。分配任務(wù)不同的優(yōu)先級，賦予任務(wù)自主延遲功能，進行必要的任務(wù)通信，設(shè)置關(guān)鍵任務(wù)的中斷響應(yīng)。明確任務(wù)的執(zhí)行條件、中斷條件和掛起條件等因素。每個任務(wù)是系統(tǒng)中一個獨立的執(zhí)行調(diào)度單位和資源分配單位。如圖1所示，調(diào)用RTOS內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)接口，創(chuàng)建實時任務(wù)；任務(wù)的運行從接受內(nèi)核調(diào)度開始，按照自身流程設(shè)計循環(huán)執(zhí)行，直至系統(tǒng)運行結(jié)束。

　　通過對實時應(yīng)用功能劃分及運行技術(shù)分析研究，總結(jié)出實時應(yīng)用的基本構(gòu)成單位和基本功能實現(xiàn)方法，如圖2所示。

　　2 基于μC／OSⅡ內(nèi)核的實時任務(wù)模型

　　μC／OSⅡ嵌入式操作系統(tǒng)是一個多任務(wù)、優(yōu)先級搶占、可移植、可裁減的實時內(nèi)核。具有時間、內(nèi)存、信號量、郵箱和信息隊列等各類功能函數(shù)，各任務(wù)間可以互相通訊，適用于小型CPU，開源代碼簡練，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

　　μC／OSⅡ操作系統(tǒng)以系統(tǒng)函數(shù)形式提供各類管理功能，以任務(wù)為單位對應(yīng)用代碼進行管理。應(yīng)用程序調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)編碼，并進行編譯、鏈接、運行。應(yīng)用代碼與內(nèi)核構(gòu)成一個整體。實時軟件編碼的核心問題在于將應(yīng)用軟件的具體功能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)中一個個并發(fā)執(zhí)行的實時任務(wù)，接受操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度程序的調(diào)度和管理，使應(yīng)用功能最終實現(xiàn)。

　　基于μC／OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核進行應(yīng)用程序開發(fā)，首要的工作在于如何將應(yīng)用程序中的功能進行模塊分解，使每個模塊轉(zhuǎn)換為可并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)；調(diào)用內(nèi)核完成任務(wù)流程的設(shè)計與實現(xiàn)；啟動操作系統(tǒng)內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度程序，并發(fā)執(zhí)行任務(wù)。

　　由于實時應(yīng)用程序的開發(fā)既要考慮內(nèi)核功能及接口，也要設(shè)計應(yīng)用邏輯功能。設(shè)計一個任務(wù)模型，直接服務(wù)于實時應(yīng)用程序的設(shè)計與實現(xiàn)。該模型對設(shè)計與實現(xiàn)的全過程進行簡要分解，對各個環(huán)節(jié)進行功能設(shè)計與實現(xiàn)，引導(dǎo)用戶將設(shè)計功能轉(zhuǎn)換為應(yīng)用程序。

　　圖3提供了任務(wù)模型框架與構(gòu)建基本步驟。

　　2．1 任務(wù)分解

　　任務(wù)分解是將一個實時應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯，按照任務(wù)的管理和控制接口劃分為若干獨立的任務(wù)，并發(fā)運行，實現(xiàn)應(yīng)用功能。簡單地分為設(shè)計階段和編碼階段。

　　2．1．1 設(shè)計階段

　　(1)根據(jù)應(yīng)用程序功能需求，將應(yīng)用程序功能劃分為若干并發(fā)任務(wù)。首先將需要并發(fā)執(zhí)行的子功能確立為任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級按響應(yīng)的迫切程度確定。

　　(2)確定每個任務(wù)處理流程，確保完成任務(wù)功能。

　　(3)確定任務(wù)功能實現(xiàn)是否與其他任務(wù)的執(zhí)行有關(guān)聯(lián)。

　　2．1．2 編碼階段

　　(1)完成每個任務(wù)的程序設(shè)計。將任務(wù)流程使用C語言編寫為獨立的函數(shù)。根據(jù)應(yīng)用需求，不同的任務(wù)也可共用同一個函數(shù)的代碼段。

　　(2)實時任務(wù)需確定優(yōu)先級。為確保低優(yōu)先級任務(wù)有機會運行，每個任務(wù)函數(shù)中需包括睡眠、掛起、等待指定時間等一些自主放棄CPU的語句，調(diào)用內(nèi)核函數(shù)實現(xiàn)。

　　2．2 任務(wù)通信

　　實時任務(wù)間存在互相合作或競爭關(guān)系。μC／OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)內(nèi)核允許并發(fā)任務(wù)間通過事件、信號量、消息郵箱、消息隊列進行通信。實現(xiàn)分為兩步：定義通信事件數(shù)據(jù)類型及初始化；任務(wù)編碼中適時調(diào)用發(fā)送和接收函數(shù)。

　　(1)創(chuàng)建任務(wù)前，調(diào)用內(nèi)核，定義需要的通信機制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　(2)發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)調(diào)用內(nèi)核任務(wù)通信函數(shù)實現(xiàn)編碼，發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)可有多個。

　　2．3 任務(wù)創(chuàng)建

　　將編碼完成的任務(wù)函數(shù)，通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，轉(zhuǎn)換為內(nèi)核可調(diào)度的任務(wù)。系統(tǒng)函數(shù)INT8U OSTa-skCreate(void(*task)(void*pd)，void*pdata，OSSTK*ptos，INT8U prio)的輸人數(shù)據(jù)為：任務(wù)代碼指針——任務(wù)函數(shù)名；創(chuàng)建任務(wù)運行時傳遞的指針——可為空值；任務(wù)堆棧棧頂指針——任務(wù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)；任務(wù)優(yōu)先級——確定任務(wù)關(guān)鍵程度。

　　2．4 任務(wù)性能

　　為確保實時應(yīng)用程序的實時特性，滿足實時軟件的性能需求，必須要求實時內(nèi)核能夠控制每個實時任務(wù)的響應(yīng)時間和執(zhí)行時間。

　　任務(wù)的響應(yīng)時間可利用系統(tǒng)內(nèi)部定時器計算，根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行順序，在起始任務(wù)開啟定時器，在結(jié)束任務(wù)停止計時，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，可以測定實時任務(wù)的響應(yīng)時間，一般設(shè)為計時最大值，可為確定任務(wù)搶占延遲時間提供直接數(shù)據(jù)。

　　任務(wù)執(zhí)行時間的測定方法類似。在任務(wù)執(zhí)行代碼起始位置開啟定時器；在一個任務(wù)周期結(jié)束時停止計時。反復(fù)調(diào)試，測得的最大值計為任務(wù)的執(zhí)行時間，又為一個任務(wù)最長的一個執(zhí)行周期，也為控制單個任務(wù)功能的執(zhí)行提供依據(jù)。

　　2．5 任務(wù)與μC／OSⅡ?qū)崟r內(nèi)核連接

　　實時應(yīng)用程序主函數(shù)是整個應(yīng)用程序的執(zhí)行入口。該函數(shù)將應(yīng)用代碼和操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼進行連接，形成一個完整的應(yīng)用代碼。主函數(shù)一般由以下步驟組成，μc／oSⅡ內(nèi)核均提供系統(tǒng)函數(shù)支持。

　　(1)初始化μC／OSⅡ操作系統(tǒng)內(nèi)核；

　　(2)保存DOS環(huán)境；

　　(3)安裝μC／OSⅡ中斷等環(huán)境參數(shù)；

　　(4)根據(jù)需要創(chuàng)建信號量集；

　　(5)創(chuàng)建多個應(yīng)用程序任務(wù)；

　　(6)啟動多任務(wù)管理(任務(wù)調(diào)度程序)運行。

　　3 μC／oSⅡ?qū)崟r任務(wù)模型的應(yīng)用

　　交通信號燈控制系統(tǒng)是一個常見的實時應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)時間控制十字路口信號燈的自動轉(zhuǎn)換，其基本功能具有實時系統(tǒng)的基本特點。應(yīng)用實時任務(wù)模型進行該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

　　3．1 系統(tǒng)功能、任務(wù)分解、任務(wù)通信

　　(1)應(yīng)用程序功能說明

　　十字路口交通信號燈控制十字路口的車輛通過或停止。篇幅所限，控制方式簡述如下：東西向綠燈亮?xí)r，南北向紅燈亮，反之亦然，車輛按同方向燈控制通過。

　　(2)任務(wù)分解說明

　　設(shè)置兩個任務(wù)分別表示東西向燈task_ew和南北向燈task_ sn。東西向燈任務(wù)和南北向燈任務(wù)優(yōu)先級不同。東西向燈任務(wù)功能：申請南北向燈任務(wù)的同步信號量s_ sn，顯示綠燈指定時間，設(shè)定顯示紅燈指定時間，向南北任務(wù)發(fā)送同步信號量；南北向燈任務(wù)功能：申請東西向燈任務(wù)的同步信號量s_ew，顯示綠燈指定時間，設(shè)定顯示紅燈指定時間，向東西向任務(wù)發(fā)送同步信號量；兩個任務(wù)通過兩個信號量保持同步切換機制。

　　(3)任務(wù)間通信

　　根據(jù)任務(wù)分解得知，創(chuàng)建兩個信號量，南北向燈信號量s_sn，初值＝1；東西向燈信號量s_ew，初值＝O。這樣，通過任務(wù)代碼申請信號量的順序，可以將十字路口信號燈控制為如下順序和變化周期：東西向信號燈綠燈一東西向信號燈紅燈一南北向信號燈綠燈一南北向信號燈紅燈。

　　(4)任務(wù)代碼

　　東西向燈任務(wù)代碼task_ew()簡要流程如下，以下代碼為無限循環(huán)代碼。

　?、僬{(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)申請南北向燈信號量；

　?、跂|西向顯示綠燈，南北向顯示紅燈；

　　③調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，任務(wù)睡眠指定時間；

　?、苷{(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)發(fā)送東西向燈信號量。

　　南北向燈任務(wù)代碼task_sn()簡要流程如下：以下代碼為無限循環(huán)代碼。

　　①調(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)申請東西向燈信號量；

　　②南北向顯示綠燈，東西向顯示紅燈；

　　③調(diào)用內(nèi)核函數(shù)，任務(wù)睡眠指定時間；

　?、苷{(diào)用內(nèi)核系統(tǒng)函數(shù)發(fā)送南北向燈信號量。

　　3．2 任務(wù)創(chuàng)建

　　(1)任務(wù)函數(shù)代碼編碼完成后，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)0S-TaskCreate()創(chuàng)建任務(wù)task_sn和task_ew。

　　(2)每個應(yīng)用任務(wù)的優(yōu)先級不同，為了使任務(wù)按照設(shè)定的時間進行紅綠燈顯示切換，每個任務(wù)自動設(shè)定睡眠若干時間，任務(wù)在睡眠狀態(tài)下顯示狀態(tài)保持不變。

　　3．3 任務(wù)與uC／OSⅡ?qū)崟r內(nèi)核連接

　　應(yīng)用程序主函數(shù)的主要流程設(shè)計如下：

　　3．4 實時任務(wù)性能指標(biāo)

　　若該應(yīng)用系統(tǒng)具有信號燈自動控制改為手動控制，再由手動改為自動控制功能，需要進行如下設(shè)計：

　　(1)中斷延遲

　　設(shè)置一個實時任務(wù)代表手動控制狀態(tài)。當(dāng)按下按鍵時產(chǎn)生中斷，中斷事件必須在時限內(nèi)處理，睡眠上述兩個紅綠燈任務(wù)，將執(zhí)行切換到手動實時任務(wù)。當(dāng)需要切換到自動狀態(tài)時，按下對應(yīng)按鍵時產(chǎn)生中斷，處理該中斷，睡眠手動實時任務(wù)，喚醒兩個紅綠燈任務(wù)。這兩個中斷延遲時間對信號燈控制系統(tǒng)是很重要的性能指標(biāo)，直接影響路口控制方式的切換是否順暢。

　　(2)搶占延遲

　　有時根據(jù)交通流量變化，需要調(diào)整十字路口雙方向紅綠燈的切換時間。設(shè)置一個時間調(diào)整任務(wù)，該任務(wù)優(yōu)先級較高，可根據(jù)每星期各天、各時段路口情況進行周期性動態(tài)時間調(diào)整。按指定時間觸發(fā)事件，調(diào)度該任務(wù)執(zhí)行。事件產(chǎn)生的頻度就確定了該任務(wù)的執(zhí)行時限，因此每次事件發(fā)生時，相應(yīng)的處理任務(wù)必須及時響應(yīng)處理，否則不滿足時限要求，路口將陷于無控制狀態(tài)。搶占延遲就反映了系統(tǒng)的響應(yīng)及時程度。

　　4 結(jié) 語

　　提出的根據(jù)實時任務(wù)模型構(gòu)建實時應(yīng)用程序的方法，為基于嵌入式實時內(nèi)核μC／OSⅡ構(gòu)建應(yīng)用程序，提供了一個簡明、方便的技術(shù)思路和實現(xiàn)方法，該模型為實時應(yīng)用程序開發(fā)提供一個實用解決方案。從應(yīng)用程序范例的設(shè)計實現(xiàn)可得到隨應(yīng)用系統(tǒng)需求的改變；實時任務(wù)可動態(tài)進行增刪；模塊可拆卸。該方案已在我校計算機學(xué)院的教學(xué)實踐中使用，具有較好的可操作性，開拓了軟件開發(fā)的新視角。