基于實時操作系統(tǒng)的編程系統(tǒng)設計

作者：林剛勇，周航慈，吳光文，朱兆優(yōu)

在嵌入式控制系統(tǒng)的設計中，如何對被控制的多個任務進行有效協(xié)調(diào)，使其動作順序合理、響應速度快捷，往往是設計者所考慮的一個很重要的方面，也是衡量檢驗一個系統(tǒng)的綜合性能的重要指標。為了在多個任務的協(xié)調(diào)控制中滿足實時性的要求，設計者往往會考慮在系統(tǒng)中嵌入目前流行的某種實時操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在也有一些通過驗證的比較優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)可供選擇，有的源代碼甚至是免費提供的，網(wǎng)上也有大量的移植成功的源代碼范例?；趯崟r操作系統(tǒng)編程可以大大縮短開發(fā)的周期，實時性也有足夠的保證?；趯崟r操作系統(tǒng)編程的代價之一是，增加了程序代碼的長度；代價之二是，需要較多的RAM空間，在不擴展片外存儲器的情況下，中低檔單片機是難以勝任的。另一方面，大部分中低檔應用系統(tǒng)通過合理的設計，采用基于裸機編程（沒有實時操作系統(tǒng)）的方法，也可以保證一定的實時性，從而達到實時控制的要求，這是本文所要介紹的內(nèi)容。

1系統(tǒng)設計原理

1.1 通過定時中斷間隔的設計來保證實時性

為了完成控制系統(tǒng)中多任務的實時響應要求，可以利用定時中斷作為系統(tǒng)的時鐘。每個中斷的間隔作為時鐘的最小基本單位，這個值要小于或等于被控制的各個任務中對時間要求最苛刻的任務的最大允許響應時間。定時間隔越短，響應越快捷，但系統(tǒng)CPU的負擔也越重（因為CPU休眠的時間也越來越少）。這是一對相互矛盾的事物，需要設計者謹慎的協(xié)調(diào)才能達到最完美的效果。例如在配料控制系統(tǒng)中，如果加料速度為20 kg/s，要求配料誤差為1 kg，則系統(tǒng)的實時性必須保證在50 ms之內(nèi)。為了留有余地，可將定時中斷間隔設置為20 ms。

1.2 通過對所有任務的及時“照看”來管理多任務

可以根據(jù)各個任務對實時性要求的不同程度，將任務分為不同的類型。對實時性要求越是苛刻的任務，就需要得到系統(tǒng)越頻繁的“照看”。對于實時性要求不高的任務，系統(tǒng)對它的“照看”時間間隔可以長一些。例如，有兩個任務A和B，任務A每秒必須“照看”10次，任務B每秒必須“照看”2次，則控制流程如圖1所示。從圖1中可以看出，任務A每隔0.1 s“照看”1次，任務B每隔0.5 s“照看”1次。對實時性要求基本相同的若干任務，可依次“照看”，其程序流程如圖2所示。

圖1處理實時性要求不同的任務

圖2處理實時性要求基本相同的任務

將所有任務都放在定時監(jiān)控循環(huán)中來“照看”，就可以使各個任務得到實時“照看”，問題的關(guān)鍵是系統(tǒng)如何“照看”各個任務。如果某任務運行一次所需要的時間遠小于定時間隔，則該任務可安排在系統(tǒng)“照看”它時完整地執(zhí)行一次。在這種情況下，“照看”某任務和“運行”某任務是一回事。如果某任務的運行時間遠大于定時間隔，例如在配料系統(tǒng)中，一次配料任務需要數(shù)十秒鐘，而定時間隔只有20 ms，因此，在“照看”該任務時不可能等待它完成后再“照看”其他任務，否則系統(tǒng)就會崩潰。為此，系統(tǒng)對任何任務的“照看”時間必須遠小于定時間隔，只有這樣才能保證系統(tǒng)在一個定時間隔中完成對所有任務的“照看”。由此可以看出，在本方法中，任何任務都不能較長時間單獨占有CPU，而是在不斷地得到系統(tǒng)的“照看”，通過“照看”來維持各個任務的正常運行。

1.3將任務分解為若干狀態(tài)

對于執(zhí)行時間大于定時間隔的任務，其執(zhí)行過程都是由若干不同狀態(tài)構(gòu)成的。在不同狀態(tài)下，需要系統(tǒng)進行不同方式的“照看”，為此，為這個任務設置一個狀態(tài)變量，以指示該任務當前的狀態(tài)。當系統(tǒng)“照看”該任務時，首先讀取該任務的狀態(tài)變量，然后根據(jù)狀態(tài)變量的值來執(zhí)行對應的“照看”操作。

為了使系統(tǒng)能夠及時從某個任務脫身，以便及時“照看”另外的任務，則任何“照看”操作都必須非常簡短（遠小于定時間隔）。如果某個任務的某種狀態(tài)需要系統(tǒng)較長時間的“照看”（如進行一段比較復雜的數(shù)據(jù)處理），則必須將這個狀態(tài)再分解為若干狀態(tài)，直到每個狀態(tài)需要的處理時間均比定時中斷間隔短得多。也可以設置若干標志，將這些耗時的處理過程放在后臺處理。

① 本方法沒有優(yōu)先級的概念，所有任務都一視同仁得到“照看”，不存在“任務調(diào)度”問題，從根本上簡化了系統(tǒng)軟件設計，也大大降低了對硬件資源的要求。

② 本方法與“時間片輪回”方法類似，但有兩點不同：第一是每個任務得到的“時間片”是不固定的，與該任務的當前狀態(tài)有關(guān)，當該任務處于停止狀態(tài)時，其“照看”操作所需要的時間就比較短，占用的“時間片”也就比較短;第二是以“照看”操作來劃分“時間片”，每個任務的“照看”都是一個完整的過程，不存在被打斷的情況，故不需要為每個任務配置“堆棧”。各個任務之間的通信和同步可以通過變量和標志來完成，實現(xiàn)起來也比較簡單。

③ 由于本方法對處于“停止狀態(tài)”的任務也要不停地“照看”，顯然時間利用率不高，當系統(tǒng)任務數(shù)量較多或?qū)崟r性要求很高時就難于勝任，故本方法只能在任務數(shù)量較少的中低檔系統(tǒng)中采用；任務數(shù)量較多或?qū)崟r性要求很高的系統(tǒng)，仍然應該采用基于實時操作系統(tǒng)的編程方法。

2 設計實例

現(xiàn)結(jié)合一個配料系統(tǒng)的設計實例來說明該類系統(tǒng)的設計方法。在配料系統(tǒng)中，配方中的每種成分都由一個獨立的料斗來配置，并由一個獨立的電子秤來計量。進行配料操作時，為了提高工作效率，各個料斗同時進行加料，達到配方中各自規(guī)定的重量后則停止加料。當所有料斗都完成加料過程后，便同時（或按預定順序）出料，進行混合處理。各個料斗均出料結(jié)束后，間隔若干秒鐘自動開始下一輪配料過程。

在該系統(tǒng)中有如下任務需要運行：

◆ 鍵盤管理任務。采集操作者的按鍵動作并解釋執(zhí)行，用來設置配方數(shù)據(jù)和配料次數(shù)，控制系統(tǒng)運行。

◆ 顯示任務。顯示系統(tǒng)當前狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。

◆ 數(shù)據(jù)采集任務。讀取各個電子秤當前的數(shù)據(jù)。

◆ 配料控制任務。根據(jù)配方要求和電子秤當前的數(shù)據(jù)來決定料斗的工作狀態(tài)。

◆ 控制信號輸出任務。根據(jù)料斗狀態(tài)，輸出相應的各路控制信號。

◆ 時鐘任務。為系統(tǒng)提供時間基準，使各個任務可以按規(guī)定節(jié)奏來運行。

◆ 睡眠任務。讓系統(tǒng)在空閑時間里進入睡眠狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。左邊是主程序，只安排了睡眠任務；右邊是定時中斷子程序，安排了其他所有任務。

圖3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

除配料控制任務外，其他任務運行一次的時間均遠小于定時間隔，在每次定時中斷中均可以完整地運行一次，故采用普通的編程方法將其運行過程寫出來即可。配料控制任務無法在一次定時中斷里完成，只能用不斷“照看”的方法來完成。如果配料任務的運行時間（運行周期）為40 s，定時中斷間隔時間為20 ms，則每次配料過程都是通過2000次“照看”來實現(xiàn)的。設配方有四種成分，則系統(tǒng)有四個料斗并行工作，“配料控制”任務的“照看”操作實際上由“照看料斗1”、“照看料斗2”、“照看料斗3”、“照看料斗4”組成（如圖2所示），即每次定時中斷都要依次“照看”四個料斗。四個料斗的“照看”操作方式基本相同。由于配方數(shù)據(jù)的差異，四個料斗的狀態(tài)不一定每時每刻都同步。如果不考慮加料時的“落差”現(xiàn)象，就一個料斗而言，“照看”操作內(nèi)容設計如表1所列。

配料過程由鍵盤操作來啟動（使“允許配料”標志＝1），以后各次配料操作由前一次配料的狀態(tài)5來啟動，直到完成預定的配料次數(shù)。

從表1中可以看出，所有的“照看”操作都是由“判斷－分支”結(jié)構(gòu)組成，操作時間也很短，滿足設計要求。

3 小結(jié)

注：當狀態(tài)變量的值為5時，為了同步和避免重復計算配料次數(shù)，只有料斗1執(zhí)行指定的操作，其他料斗均不進行任何操作，直接結(jié)束照看。

在實時多任務系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的實時性，采用實時操作系統(tǒng)是首選設計方案;但在中低檔系統(tǒng)中，為了簡化設計和降低成本，利用本文介紹的方法，基于裸機編程同樣可以滿足要求。在中低檔系統(tǒng)占有很大比例的產(chǎn)品市場中，本文介紹的編程方法對降低成本和提高產(chǎn)品競爭力顯然是有幫助的。

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