μC/OS-II的多任務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析與優(yōu)先級(jí)分配

從產(chǎn)品研發(fā)的角度，針對小資源系統(tǒng)中使用μC/OS-II的實(shí)時(shí)性和優(yōu)先級(jí)關(guān)系進(jìn)行了分析，提出了可刪除任務(wù)的靈活應(yīng)用和可變大小任務(wù)棧的實(shí)現(xiàn)方法，對于并行任務(wù)使用共享資源的幾種情況給出了實(shí)用解決方案。這些措施獲得了良好的任務(wù)并行性和實(shí)時(shí)響應(yīng)，節(jié)約了代碼存儲(chǔ)空間。

關(guān)鍵詞 μC/OS-II 實(shí)時(shí)性 可變?nèi)蝿?wù)堆棧 優(yōu)先級(jí)

引言

　　μC/OS-II作為一種輕量級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，正隨著嵌入式微處理器性能的不斷提高和外圍資源（主要是存儲(chǔ)器資源）的不斷增加，得到越來越多的應(yīng)用。例如，原來的51系列單片機(jī)，限于6~12 MHz的主頻、12個(gè)Clock的機(jī)器周期以及有限的存儲(chǔ)器資源，使用μC/OS-II會(huì)大大加重系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，使應(yīng)用程序的運(yùn)行受到影響，特別在快速A/D轉(zhuǎn)換等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的場合，無法得到及時(shí)的響應(yīng)，于是才有了更輕量級(jí)的Small RTOS等操作系統(tǒng)的出現(xiàn)。

　　但目前更強(qiáng)勁的51內(nèi)核版本微處理器的大量出現(xiàn)，從根本上改變了這種情況。40 MHz以上的主頻，單周期指令的微處理器，加上64 KB的程序空間和8 KB以上的數(shù)據(jù)空間，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)可以流暢地運(yùn)行μC/OS-II[1]。μC/OS-II的移植版本很多，選擇一個(gè)適合系統(tǒng)CPU的版本，然后進(jìn)行正確的配置和優(yōu)化是非常重要的。

1? 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析

　　本系統(tǒng)工作原理是在恒定溫度條件下，任意啟動(dòng)4個(gè)測試通道來進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的并行分析，每個(gè)測試通道的工作流程完全相同，如圖1所示。

　　C8051F120集成了8路12位高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0）和8路8位高速A/D轉(zhuǎn)換器（ADC2）。系統(tǒng)要求對4個(gè)光學(xué)傳感器輸出進(jìn)行采樣，ADC0可以構(gòu)成4個(gè)差分測試通道以滿足需求。系統(tǒng)還要求能對2路溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，用于監(jiān)控2個(gè)外部溫度傳感器的輸出電壓： 一個(gè)保證測試部分的溫度恒定在37±0.2 ℃，通過對加熱組件的PWM控制來完成；另一個(gè)用于監(jiān)測機(jī)箱溫度，在32 ℃以上時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，30 ℃以下關(guān)閉風(fēng)扇。

圖1? 通道工作流程

　　從圖1中可以看出，完整的流程包括信息輸入、樣本預(yù)溫、通道啟動(dòng)、試劑添加、微分測量、結(jié)果處理6個(gè)階段。其中前4個(gè)屬于操作階段，操作者通過每個(gè)通道的進(jìn)度條、轉(zhuǎn)動(dòng)條和狀態(tài)標(biāo)志塊，在LCD界面上獲得明確的操作指示，確保每個(gè)通道的正確操作。

　　要求在通道啟動(dòng)后，能精確地每隔0.1 s完成一次采樣并處理數(shù)據(jù)，所以每個(gè)通道的最長處理時(shí)間不能超過25 ms，且軟件微分法需要較高的A/D轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性。C8051F120中的A/D最高采樣速率可達(dá)100 ksps，約10 μs/次，因此可采用過采樣后的高平滑，同時(shí)提高精度和穩(wěn)定性。簡單地計(jì)算，如果每個(gè)通道采樣1 024次后平均計(jì)算，則4個(gè)通道的A/D總速率為：ADMAX=1 024×4×10=40 ksps。

　　理論上來說，即使把采樣次數(shù)再加倍，仍然略小于100 ksps，但考慮到每次A/D中斷后，中斷服務(wù)程序都要簡單地處理采樣數(shù)據(jù)，然后才能啟動(dòng)下一次A/D轉(zhuǎn)換，所以實(shí)際轉(zhuǎn)換速度是不能達(dá)到100 ksps的。通過調(diào)試，合理的選擇為每個(gè)采樣點(diǎn)取1 024次平滑濾波。實(shí)際處理中，把A/D轉(zhuǎn)換精度從12位擴(kuò)展到了16位，以滿足0~2 000 mV范圍內(nèi)0.1 mV的精度和穩(wěn)定性，這可以簡單地通過改變求均值時(shí)的右移次數(shù)和擴(kuò)大滿量程基數(shù)來完成[2]。

　　除了實(shí)時(shí)性的要求必須得到嚴(yán)格滿足外，有很多因素需要一并考慮。例如每個(gè)通道測試過程中的圖形動(dòng)態(tài)顯示，通道測試過程中的鍵值交叉處理，獨(dú)立于測試之外的實(shí)時(shí)溫度控制，耗時(shí)較多的測試結(jié)果傳送和打印等，這些人為操作和功能處理均不能中斷，或影響正在測試的通道每0.1 s一次的數(shù)據(jù)采樣。另外，還必須提供一項(xiàng)強(qiáng)制結(jié)束功能：在任何測試階段按Exit鍵，確認(rèn)后可退出所有測試。

　　總體上看，系統(tǒng)在各個(gè)通道共用1個(gè)鍵盤、1個(gè)串口、1個(gè)打印機(jī)、1個(gè)LCD顯示器、1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的條件下，能進(jìn)行獨(dú)立控制，互不干擾地進(jìn)行各自的測試、計(jì)算、顯示、傳送和輸出，滿足實(shí)時(shí)性和并行性要求。

2? 內(nèi)存分配

　　μC/OS-II最多有64個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，根據(jù)版本的不同可供用戶使用的優(yōu)先級(jí)有56~62個(gè)。每個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)不能相同，最大優(yōu)先級(jí)數(shù)即用戶的最大任務(wù)數(shù)[1]。

　　每個(gè)任務(wù)必須有自己的任務(wù)棧，任務(wù)棧由系統(tǒng)物理?xiàng)？截悈^(qū)和模擬棧兩部分組成，是μC/OS-II移植的核心內(nèi)容[3-4]，因此任務(wù)的多少直接影響數(shù)據(jù)RAM的需求。在本系統(tǒng)中，物理?xiàng)？截悈^(qū)為64字節(jié)，模擬棧可以安排16~64字節(jié)，這種可變大小任務(wù)棧稍后分析。

　　C8051F120微處理器帶有8 KB的RAM，系統(tǒng)沒有擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。首先分析一下系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存的需求情況：

　?、? 系統(tǒng)顯示部分使用了240×128點(diǎn)陣的LCD模塊和圖形GUI，如果建立完整的顯示緩沖區(qū)，需要240/8×128=3 840字節(jié)，約4 KB的RAM空間；
　?、? Flash除了用作程序存儲(chǔ)器外，剩下的部分作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。每個(gè)Flash塊為1 KB，故需要1 KB的RAM作為Flash的讀寫緩沖區(qū)；
　?、? GUI自身約占去了1 KB內(nèi)存；
　?、? 傳感器響應(yīng)曲線需打印，其點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（對應(yīng)打印機(jī)384個(gè)點(diǎn)行）約占1 KB。

　　以上共占用7 KB，最終僅剩下1 KB的RAM留給操作系統(tǒng)以及用戶函數(shù)，這顯然不夠?？赏ㄟ^優(yōu)化GUI的驅(qū)動(dòng)，去掉LCD的顯示緩沖區(qū)，增加4 KB的RAM，以滿足系統(tǒng)需要。

3? 可變?nèi)蝿?wù)棧和任務(wù)劃分

3.1? 可變大小任務(wù)棧

　　一般來說，一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中不會(huì)建立60個(gè)以上的任務(wù)。從簡單的角度考慮，應(yīng)用μC/OS-II時(shí)，建立的所有任務(wù)均駐留不刪除，使用足夠大并且同樣大小的堆棧。這種處理任務(wù)的方法會(huì)對內(nèi)存數(shù)量提出較高要求。例如50個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)棧均為128字節(jié)，則需要6 KB的RAM。

　　本著這樣一個(gè)原則來改進(jìn)任務(wù)劃分：不需要駐留的任務(wù)運(yùn)行完畢即刪除，可以自身刪除，也可以在別的任務(wù)里刪除。這種任務(wù)處理不僅可以重用任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還可以重用任務(wù)堆棧，并且減少同時(shí)運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量。

　　刪除任務(wù)的辦法不僅可獲得共享的任務(wù)棧資源，而且也是一個(gè)方便中止某些應(yīng)用程序的手段，前面提及的任何測試階段按Exit鍵退出所有測試的動(dòng)作，就可以依靠刪除任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。

　　把任務(wù)看作有大小的，這里的“大小”指需要“重入”到任務(wù)堆棧的變量的數(shù)量。如果每一個(gè)任務(wù)都使用相同大小的任務(wù)棧，對小任務(wù)而言顯然是在浪費(fèi)寶貴的RAM，大小可變的任務(wù)棧才是經(jīng)濟(jì)合理的。

　　首先，在os_cfg.h頭文件中增加大、小兩個(gè)宏參數(shù)，如果需要更多不同的棧大小，還可以繼續(xù)增加參數(shù)。

　　#define MaxStkSize128//大任務(wù)棧
　　#define MinStkSize80//小任務(wù)棧
　　然后定義任務(wù)棧時(shí)使用它們：
　　OS_STK TaskDelStk1[MinStkSize];
　　OS_STK TaskDelStk2[MaxStkSize];

　　TaskDelStk1和TaskDelStk2是兩個(gè)可刪除任務(wù)所使用的任務(wù)棧，一個(gè)80字節(jié)，另一個(gè)128字節(jié)。

　　接下來是關(guān)鍵，要在任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit中進(jìn)行處理：定義一個(gè)全局整型變量STK_SIZE，創(chuàng)建任務(wù)前給它賦值，任務(wù)創(chuàng)建時(shí)執(zhí)行的OSTaskStkInit函數(shù)用它來初始化模擬棧的長度。

　　修改前，OSTaskStkInit中的?C_XBP仿真堆棧指針（即模擬棧指針）的初始化語句如下：

　　*stk++ = (INT16U) (ptos + MaxStkSize) >> 8;//MaxStkSize是固定的棧長度
　　*stk++ = (INT16U) (ptos + MaxStkSize) & 0xFF;

　　注意：ptos是任務(wù)棧棧底，模擬棧從任務(wù)堆棧的另一頭開始。

　　修改后變?yōu)椋?/P>

　　*stk++ = (INT16U) (ptos + STK_SIZE) >> 8;//指針高8位
　　*stk++ = (INT16U) (ptos + STK_SIZE) & 0xFF;//指針低8位

　　創(chuàng)建任務(wù)前要給STK_SIZE賦予堆棧定義匹配的棧長度值，否則，會(huì)因?yàn)槎褩２荒苷_初始化導(dǎo)致任務(wù)崩潰。不同大小的任務(wù)棧結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出區(qū)別在于模擬棧不同。

圖2? 可變大小任務(wù)棧結(jié)構(gòu)

　　利用可變大小任務(wù)棧創(chuàng)建一個(gè)小堆棧任務(wù)，示例如下：

　　STK_SIZE=MinStkSize;//提供堆棧大小值
　　/*創(chuàng)建帶TimeLimit參數(shù)的，分配有任務(wù)棧TaskDelStk1，優(yōu)先級(jí)為10的任務(wù)OverTime*/
　　OSTaskCreate(OverTime,(void*)&TimeLimit, &TaskDelStk1[0],10);

3.2? 系統(tǒng)任務(wù)劃分

　　用戶任務(wù)分為兩類： 一類任務(wù)是常駐任務(wù)，即創(chuàng)建后不用刪除的任務(wù)；另一類是可刪除任務(wù)，運(yùn)行時(shí)建立，運(yùn)行完刪除，該任務(wù)資源又可用來創(chuàng)建新的任務(wù)。

　　常駐任務(wù)有以下幾個(gè)：

　?、??主任務(wù)。用于控制程序流程，使用大任務(wù)棧，相當(dāng)于主函數(shù)。
　?、? 溫度檢測任務(wù)。使用小任務(wù)棧，系統(tǒng)初始化后創(chuàng)建，并一直運(yùn)行；每秒檢測一次溫度，根據(jù)兩個(gè)溫度傳感器的狀況調(diào)整加熱時(shí)間占空比和啟停散熱風(fēng)扇，維持37 ℃恒溫。
　　③? 鍵盤掃描任務(wù)：使用小任務(wù)棧，自檢完畢后創(chuàng)建。等待接受鍵盤中斷程序發(fā)出的信號(hào)量，進(jìn)行處理后發(fā)出鍵值到消息郵箱，供其他任務(wù)使用。需要這個(gè)鍵盤任務(wù)處理鍵值，而不是直接在鍵盤中斷服務(wù)程序中處理的原因是： 要盡可能縮短中斷服務(wù)時(shí)間。
　　④ ?旋轉(zhuǎn)光標(biāo)指示器任務(wù)： 使用小任務(wù)棧。該任務(wù)在自檢和通道測試時(shí)起過程指示作用，當(dāng)過程進(jìn)行時(shí)，光標(biāo)旋轉(zhuǎn)，過程結(jié)束則光標(biāo)停止。因?yàn)樵谥魅蝿?wù)的自檢和通道測試程序中均使用它，故采取常駐任務(wù)的形式，通過定時(shí)判斷4個(gè)標(biāo)志位來決定是否旋轉(zhuǎn)1~4個(gè)光標(biāo)。

　　常駐任務(wù)的堆棧共使用了128+80×3=368字節(jié)RAM。

　　可刪除任務(wù)根據(jù)任務(wù)函數(shù)的復(fù)雜性，也使用了大堆棧和小堆棧兩種結(jié)構(gòu)，共8個(gè)任務(wù)。

　?、? 超時(shí)檢測任務(wù)：使用小任務(wù)棧，用于檢驗(yàn)?zāi)骋贿^程是否超時(shí)。
　　②? 日期時(shí)間顯示：使用小任務(wù)棧，在主菜單中定時(shí)顯示日期時(shí)間。離開主菜單后即可刪除，回到主菜單再重新建立。
　　③? ADC0任務(wù)：使用小任務(wù)棧，每隔100 ms掃描4個(gè)測試通道的A/D值，并發(fā)送至相應(yīng)通道的消息郵箱，通道接收消息指針，獲得此A/D值。 這3個(gè)小堆棧任務(wù)不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，因此共享同一個(gè)任務(wù)堆棧。
　　④~⑦? 通道1～4的測試任務(wù)：使用大任務(wù)棧，4個(gè)任務(wù)對應(yīng)4個(gè)通道的并行測試。
　?、??數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)：使用大任務(wù)棧，因?yàn)樯婕拜^多的局部變量。如果直接在通道測試任務(wù)中進(jìn)行打印和傳送，那么數(shù)據(jù)打印和串口傳送的時(shí)間之和可能會(huì)超過100 ms；特別是圖形點(diǎn)陣打印，有較多的數(shù)據(jù)發(fā)往打印機(jī)。這種情況違背了每次100 ms的精確采樣時(shí)間要求，丟失了數(shù)據(jù)，所以單獨(dú)安排為一個(gè)任務(wù)在后臺(tái)運(yùn)行。

　　可刪除任務(wù)棧共使用80+128×5=720字節(jié)RAM。

　　總的任務(wù)共有12個(gè)，使用的任務(wù)?？臻g只有大約1 KB。

4? 任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配

　　優(yōu)先級(jí)的合理分配圍繞實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行，因?yàn)榭捎脙?yōu)先級(jí)較多，所以任務(wù)優(yōu)先級(jí)之間可取較大間隔。這樣當(dāng)有更多的任務(wù)加入時(shí)，能安排在這些間隔中，不用改變已有任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。本系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)關(guān)系可以按由高到低順序依次排列： 鍵盤掃描任務(wù)，超時(shí)檢測任務(wù)， A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)，主任務(wù)，各通道測試任務(wù)，數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)，溫度檢測任務(wù)，日期時(shí)間顯示任務(wù)，如圖3所示。

圖3? 任務(wù)關(guān)系示意圖

　　常駐任務(wù)一般是固定優(yōu)先級(jí)，而可刪除任務(wù)每一次創(chuàng)建時(shí)卻能夠?qū)?yīng)不同的任務(wù)函數(shù)和優(yōu)先級(jí)，且使用同一個(gè)任務(wù)棧。

　　一個(gè)任務(wù)函數(shù)可用于多個(gè)任務(wù)，這種“重用”的特性在獲得任務(wù)并行性的同時(shí)，最大限度地節(jié)約了代碼。本系統(tǒng)只有一個(gè)測試函數(shù)，卻構(gòu)成了4個(gè)并行的通道任務(wù)。這些任務(wù)都是進(jìn)入測試菜單后隨著各自通道鍵被按下后在主任務(wù)中創(chuàng)建的，復(fù)用的4個(gè)測試函數(shù)接受任務(wù)創(chuàng)建時(shí)主任務(wù)傳遞過來的參數(shù)，為本通道的計(jì)算、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列工作服務(wù)。

5? 資源共享的處理

　　ADC0、LCD、打印機(jī)和串口等資源被4個(gè)測試任務(wù)所共享。資源共享有一些經(jīng)典的方法（如信號(hào)量、全局變量等），需要根據(jù)實(shí)際需求靈活運(yùn)用。本系統(tǒng)的處理如下：

　?、? 對于ADC0，在A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)中每0.1 s輪流掃描4個(gè)通道一次，產(chǎn)生4個(gè)郵箱消息發(fā)往各自通道任務(wù)，以讀取對應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果。0.1 s的精確定時(shí)由定時(shí)器中斷獲得，中斷服務(wù)發(fā)出信號(hào)量啟動(dòng)AD任務(wù)。一次掃描完成后A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)掛起，直至下一次信號(hào)量到來。
　　②? 對于LCD，情況要復(fù)雜一些，每個(gè)測試任務(wù)都要在LCD的各自區(qū)域顯示，但是LCD不能實(shí)現(xiàn)2個(gè)以上位置同時(shí)進(jìn)行顯示處理，所以當(dāng)涉及顯示過程時(shí)需要禁止任務(wù)切換，否則會(huì)造成顯示混亂。例如，當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的顯示工作還沒有完成時(shí)，若發(fā)生了任務(wù)切換，則高優(yōu)先級(jí)任務(wù)去進(jìn)行另一個(gè)顯示。當(dāng)重新切換回低優(yōu)先級(jí)任務(wù)后就沒有辦法繼續(xù)未完的顯示，因?yàn)轱@示位置已經(jīng)被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所改變。
　　③? 對于打印機(jī)和串口，也有類似的問題，不允許一個(gè)結(jié)果尚未打印完成又去打印另一個(gè)結(jié)果。禁止任務(wù)切換的辦法不適合這里，因?yàn)榇蛴『蛡魉秃臅r(shí)比LCD顯示長很多，禁止任務(wù)切換會(huì)影響到測試的實(shí)時(shí)性，它們單獨(dú)建立后臺(tái)任務(wù)的原因也在于此。

　　數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)循環(huán)掃描各個(gè)通道的請求服務(wù)標(biāo)志，當(dāng)標(biāo)志有效時(shí)即為該通道服務(wù)，服務(wù)完畢清除該標(biāo)志，因數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)的優(yōu)先級(jí)較低而不會(huì)對其他測試任務(wù)造成任何影響。被服務(wù)的通道測試任務(wù)循環(huán)檢測請求服務(wù)標(biāo)志，檢測到標(biāo)志被清除后才可以繼續(xù)下次測試，表示此次數(shù)據(jù)已經(jīng)輸出。其他高優(yōu)先級(jí)測試任務(wù)不會(huì)影響打印過程，因?yàn)橄葯z測到標(biāo)志的通道獨(dú)占資源，直至傳送和打印完成后，打印任務(wù)才去檢測下一個(gè)標(biāo)志；高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的輸出請求要等低優(yōu)先級(jí)輸出完畢才能得到響應(yīng)，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)在這里是正確的。

6??結(jié)論

　　本文從嵌入式系統(tǒng)的并行程序出發(fā)，結(jié)合實(shí)時(shí)性的要求，討論了μC/OS-II操作系統(tǒng)環(huán)境下的任務(wù)劃分和優(yōu)先級(jí)確定的相關(guān)問題，提出了一些在μC/OS-II中用于減少資源耗用和同時(shí)運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量的改進(jìn)措施。實(shí)踐證明，這些措施可以充分發(fā)揮μC/OS-II小巧精悍的特點(diǎn)，提高程序代碼的重用性，節(jié)約寶貴的RAM資源。本系統(tǒng)與采用雙通道測試、沒有RTOS、采用前后臺(tái)方式解決并行問題的方法比較[5]，后者占用了54 KB代碼，在人機(jī)界面和并行度上均不及前者。前者在加入了μC/OS-II和GUI，并能進(jìn)行四通道測試的情況下，僅有59 KB代碼；排除更大的漢字庫容量后，實(shí)際代碼大小幾乎與原來相同，性能卻有了很大的提高。