基于微處理器LPC2210實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ關(guān)鍵算法的改進設(shè)計

1 引言

當前，嵌入式開發(fā)領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">產(chǎn)品的要求越來越多．如通信速率，穩(wěn)定性，產(chǎn)品功能，可擴展性，可移植性，適應(yīng)性等。為了適應(yīng)這些要求，作者對低版本的μC/OS-II做了一些改進。并選擇一款性價比高的微處理器LPC2210作為其運行的硬件平臺。本文論述的高級繼電器保護裝置除可以動態(tài)地實現(xiàn)模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集外，還可以作為web終端通過遠程主機對終端進行控制或訪問。

2 μC/OS-II其內(nèi)核結(jié)構(gòu)

宏觀的講，μC/OS-Ⅱ大致分成內(nèi)核結(jié)構(gòu)、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)之間的通信與同步和CPU的移植等5個部分。由于嵌入式多任務(wù)應(yīng)用功能軟件系統(tǒng)是應(yīng)用設(shè)計的范疇，所以并不包含在內(nèi)核中。內(nèi)核保留給上層應(yīng)用的接口有3個，分別是軟保護、任務(wù)間的通信ITC、和設(shè)備服務(wù)DSR。一個μC/OS-II內(nèi)核現(xiàn)狀的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)簡圖

3 μC/OS-Ⅱ關(guān)鍵算法邏輯

μC/OS-II采用的是可剝奪型內(nèi)核，它總是執(zhí)行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。系統(tǒng)通過兩種方法進行任務(wù)調(diào)度：一是時鐘節(jié)拍或其它硬件中斷到來后，系統(tǒng)會調(diào)用函數(shù)執(zhí)行切換任務(wù)功能；二是任務(wù)主動進入掛起態(tài)或等待態(tài)，這時系統(tǒng)通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成任務(wù)切換，中斷服務(wù)程序或陷阱處理程序的向量地址必須指向函數(shù)OSCtxSw（）。任務(wù)的優(yōu)先級唯一地標識了任務(wù)，即使兩個任務(wù)的重要性是相同的，任務(wù)間也必須有優(yōu)先級上的差異，這就意味著高優(yōu)先級的任務(wù)被處理完成之后，必須進入等待態(tài)或者掛起態(tài)，否則低優(yōu)先級的任務(wù)永遠也不可能執(zhí)行，從而嚴重暴露出μC/OS-Ⅱ的缺點，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。在產(chǎn)品的開發(fā)中也不難發(fā)現(xiàn)其內(nèi)核算法存在的一些問題，如內(nèi)核具體代碼方面的、體系結(jié)構(gòu)方面的、以及移植作者方面的問題，其中最顯著的就是硬實時性和設(shè)備驅(qū)動框架問題。

3．1硬保護算法的改進

在μC/OS-II操作系統(tǒng)中，臨界區(qū)、硬保護和軟保護是幾個緊密聯(lián)系的概念，而硬保護算法又與開關(guān)中斷、堆棧和局部變量相聯(lián)系。從保護的角度考慮，系統(tǒng)的代碼可以劃分為三種運行環(huán)境，即任務(wù)環(huán)境、中斷環(huán)境和設(shè)備環(huán)境。當代碼運行于這三種環(huán)境中時，需要的保護有很大的區(qū)別。下面將對臨界區(qū)及其保護措施中的部分概念作出定義。

定義1：和中斷環(huán)境相關(guān)的系統(tǒng)保護稱為硬保護（HP，Hard Protect）。

定義2：和設(shè)備環(huán)境相關(guān)的系統(tǒng)保護稱為設(shè)備保護（DP ， Device Protect）。

定義3：純粹任務(wù)之間的保護稱為軟保護（SP，Soft Protect）。

區(qū)別使用不同的保護機制對提高系統(tǒng)的中斷能力和穩(wěn)定性是非常重要的。當系統(tǒng)中大部分功能是與硬件設(shè)備進行數(shù)據(jù)交流時應(yīng)盡量用軟保護SP和設(shè)備保護DP代替硬保護HP，也是提高系統(tǒng)實時反應(yīng)能力的重要手段。硬保護的方法有三種，在三種硬保護算法的實現(xiàn)方法中。第一種方法只是單純的開關(guān)中斷，因此最簡單；但在嵌套調(diào)用時通常會出現(xiàn)內(nèi)層的開中斷代碼干擾外層保護的邏輯。第二種方法借助堆棧功能很好地解決了第一種方法的嵌套問題，但堆棧指針無法確定。第三種方法是在每個硬保護代碼的函數(shù)中定義一個局部變量，進入保護前保存狀態(tài)，退出保護時恢復(fù)狀態(tài)。當OS_CRITICAL_METHOD==3時，實現(xiàn)代碼如下：

Void functionx（）

{

#if OS_CRITICAL_METHOD==3

OS_CPU_SR cpu_sr；

#endif

??

OS_ENTER_CRITICAL（）；

?? //需要硬保護的臨界區(qū)代碼

OS_EXIT_CRITICAL（）；

}

3．2調(diào)度器算法的改進

眾所周知，μC/OS-II在設(shè)計時強調(diào)實時性。它采用單一的基于優(yōu)先級的搶先式調(diào)度算法，有效地保證了實時性的要求。其另外一個特點是任務(wù)切換帶來的時延窗口很小。在任務(wù)的邏輯狀態(tài)中，只有就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)才可以被真正運行。μC/OS-II任務(wù)級的調(diào)度器是通過函數(shù)OSSched（）實現(xiàn)的，0ssched（）基本上分布在μC/OS-II的各種ITC功能塊中。調(diào)度器函數(shù)的偽代碼如下：

{

（1）如果鎖定任務(wù)切換（配合軟保護），則直接退出。

（2）計算當前優(yōu)先級任務(wù)。

（3）如果當前任務(wù)就是最高優(yōu)先級任務(wù)，則直接退出。

（4）將最高優(yōu)先級任務(wù)編號（OSPrioHighRdy）賦給當前任務(wù)編號（OSPrioCur）。

（5）讀出最高優(yōu)先級任務(wù)的控制塊數(shù)據(jù)指針到OSTCBHighRdy指針。

（6）保存當前任務(wù)的環(huán)境。保存當前任務(wù)的sP到OS_TCB結(jié)構(gòu)中的堆棧指針。

（7）讀出最高優(yōu)先級任務(wù)OSTCBHighRdy及其中的SP，設(shè)置堆棧，恢復(fù)所改任務(wù)的環(huán)境，并讀出堆棧中保存的PC（程序計數(shù)器，任務(wù)當前代碼位置）設(shè)置好處理器的PC器存器，任務(wù)即可開始執(zhí)行。

}

在任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)0S_TCB描述中只能見到等待、休眠和就緒三個標記值。每個任務(wù)具有一個任務(wù)控制塊OS_TCB，任務(wù)控制塊負責記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級、堆棧指針和相關(guān)事件控制塊指針等。內(nèi)核將系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表中進行標注，通過就緒表中的兩個變量OSRdyGrp和OSRdyTbl［］可快速查找系統(tǒng)中就緒的任務(wù)。讓任務(wù)進入等待、就緒等狀態(tài)等標記任務(wù)狀態(tài)描述值的功能是分散在其它模塊中完成的，在此需要修OS_TCB中的OSTCBStat字段。如用ITC中的信號量把任務(wù)設(shè)置到等待態(tài)或者把相關(guān)任務(wù)設(shè)置為就緒態(tài)等。

為了提高μC/OS-II適應(yīng)性，在保證其實時性的前提下，對μC/OS-II的任務(wù)狀態(tài)圖的等待或掛起態(tài)分離為阻塞和等待態(tài)，以便實現(xiàn)優(yōu)先級與時間片結(jié)合式調(diào)度。從而可以從體系結(jié)構(gòu)上避免μC/OS-II存在的不足。如缺乏時間片調(diào)度、低優(yōu)先級的任務(wù)很難得到執(zhí)行、不支持同優(yōu)先級任務(wù)的調(diào)度、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等問題。改進的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2。

圖2改進的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3．3任務(wù)就緒算法的改進

改進的μC/OS-II可以管理多達255個任務(wù)甚至更多，并且提供功能齊全的實時操作服務(wù)。實際上，就緒任務(wù)表是一個位矩陣。OSRdyTb1矩陣中位的值為0或1，表示對應(yīng)的prio任務(wù)是否就緒。prio的數(shù)據(jù)位分為兩部分，Y表示縱坐標，x表示橫坐標，和矩陣中的一位對應(yīng)。OSRdyGrp是縱坐標上就緒任務(wù)組的紀錄，只要該組中任何一位代表的任務(wù)就緒（非零），Os_RdyGrp縱坐標的對應(yīng)位就標記為就緒。任務(wù)就緒算法和查詢就緒算法如下：

（1）任務(wù)就緒算法：根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級數(shù)使任務(wù)進入就緒狀態(tài)

OSRdyGrp 1=OSMapTbl［prio》》3］； //用Y映射出縱坐標位

OSRdyTb1［prio》》3］ 1=OSMapTb1［prio&0x07］； //用X映射出橫坐標位

（2）查詢就緒算法：通過此算法。μC/OS-II可以找出進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)。

y = OSUnMapTbl［OSRdyGrp］； //直接對應(yīng)出縱坐標

x = OSUnMapTbl［OSRdyTbl［y］］； //直接對應(yīng)出橫坐標

prio=（y《《3）+x； //算出優(yōu)先級

由于老版本的μC/OS-II最多只能管理64個任務(wù)．分別對應(yīng)優(yōu)先級0～63，其中0為最高優(yōu)先級，63為最低級，系統(tǒng)保留了4個最高優(yōu)先級的任務(wù)和4個最低優(yōu)先級的任務(wù)．實際上用戶可以使用的任務(wù)數(shù)僅有56個。就緒任務(wù)表其實是一個8x8的位矩陣，而且這個矩陣可以簡化為橫縱兩個數(shù)組，同時保持了常數(shù)運算。對于要求用μC/OS-II管理更多任務(wù)的情況，如要管理255個任務(wù)，該算法仍然具有意義。改進前和改進后的任務(wù)就緒表如圖3。

圖3改進前和改進后的任務(wù)就緒表

此時。最低優(yōu)先級OS_LOWEST_PRIO的定義值可以大于63，但不能大于254。當μC/OS-II初始化的時候。最低優(yōu)先級OS_LOWEST_PRIO總是被賦給空閑任務(wù)idle task。就緒表（readv list）和事件等待表（event wait lists）由一個16x16的矩陣代替。從理論上講．這也是最低優(yōu)先級OS_LOWEST_PRIO的定義值不能大于254的原因。

3．4軟保護算法

純粹任務(wù)之間的保護稱為軟保護（SP，Soft Protect）。在μC/OS-II中，軟保護包括OSSchedLock和OSSchedUnLock兩個函數(shù)，用于保護純?nèi)蝿?wù)間全局變量的訪問?；舅悸肥墙柚脖Ｗo遞增（解鎖時遞減）標記變量OSLockNesting，并在任務(wù)調(diào)度器中判斷此標記變量，以此鎖住任務(wù)調(diào)度器。

4 改進的μC/OS-II在LPC2210上的移植

移植μC/OS-II到LPC2210上，需編寫與處理器相關(guān)的幾個文件：OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C。除了編寫這三個文件之外，還必須編寫目標板的初始化啟動代碼，這是運行任何其它軟件的基礎(chǔ)。μC/OS-II要求所有*．c文件都要包含頭文件includes.h，這樣使得用戶項目中的每個*.c文件不用考慮它實際上需要那些頭文件。使用includes.h的缺點是可能會包含一些不相關(guān)的頭文件，也可能會增加每個文件的編澤時間，但卻增強了代碼的可移植性。本移植不使用軟中斷SWI做底層接口，在OS_CPU.H中定義#define OS_CRITICAL_METHOD 3，即采用第三種方式實現(xiàn)開/關(guān)中斷。具體用法已在前面作了介紹。

5 結(jié)束語

本文針對μC/OS-II的關(guān)鍵算法在分析的基礎(chǔ)上進行了改進，并將其應(yīng)用到了基于ARM7的RISC微處理器LPC2210上。通過實際的調(diào)試和在高級繼電器保護裝置中的應(yīng)用，表明改進方案是可行的。在不損害實時性的前提下，增強了μC/OS-Ⅱ?qū)π枨蟮倪m應(yīng)性、執(zhí)行效率和對任務(wù)的管理能力。

本文創(chuàng)新點：（1）通過對μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵算法的分析，指出了其在應(yīng)用中存在的不足和改進的方法。（2）增強了μC/OS-II對需求的適應(yīng)性、執(zhí)行效率和對任務(wù)的管理能力。（3）對EasyARM2200開發(fā)板提供的例程做了改進并將其移植到了自己的開發(fā)板上，為應(yīng)用功能的擴展打下了基礎(chǔ)。

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