基于多任務操作系統(tǒng)uC／OS實現(xiàn)電梯系統(tǒng)的軟件設計

在嵌入式實時應用領域，過去一般把整個軟件設計成一個前后臺系統(tǒng)。應用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應的函數(shù)完成相應的操作，這部分是后臺行為；中斷服務程序處理異步事件，這部分是前臺行為。這對于很簡單的控制是比較適合的。但是在情況比較復雜的時候，工程師現(xiàn)在傾向于應用一個適當?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/527/" target="_blank">操作系統(tǒng)來降低系統(tǒng)開發(fā)的難度，使得實時應用程序的設計和擴展變的容易，不需要大的改動就能增加新的功能。而uC／OS就是一個用于開發(fā)中小型項目比較合適的嵌入式實時操作系統(tǒng)。

1 uC／OS的特點

uC／OS是一個原代碼公開的，可移植性強的實時的多任務操作系統(tǒng)。其實時內(nèi)核采用占先式調(diào)度策略。這意味著他總是運行就緒條件下的優(yōu)先級最高的任務。當一個任務A正在運行時，由于某種原因，一個比他優(yōu)先級更高的任務B進入了就緒態(tài)，則立即任務A被掛起，任務B得到運行。這個原因可能是任務A本身發(fā)出了信號量激活了任務B；也有可能是任務A正在運行時，一個中斷到來了，而中斷服務子程序使得任務B進入了就緒態(tài)，那么完成中斷后，任務B開始運行。

uC／OS的內(nèi)核采用固定優(yōu)先級的調(diào)度方法，所以每一個任務必須由程序設計者賦予一個明確的并且與其他任務不同的優(yōu)先級。如果設計者希望某個任務的優(yōu)先級需要根據(jù)時間的推移或條件的變化而發(fā)生改變，那么必須由設計者自己調(diào)用改變?nèi)蝿諆?yōu)先級的函數(shù)OSTaskChangePrio（）來實現(xiàn)。例如系統(tǒng)中發(fā)生了一個不影響系統(tǒng)安全的小故障，相應的有一個故障報警任務，剛開始他的優(yōu)先級較低從而總是被高優(yōu)先級任務占先，所以只能每隔一段較長的時間執(zhí)行一次；隨著時間的推移，如果該故障得不到處理，他的優(yōu)先級可以逐漸提升，直到最后達到最高優(yōu)先級。

如果任務之間由于有共享資源出現(xiàn)了競爭或者死鎖，是會嚴重影響系統(tǒng)安全的。因此uC／OS對共享資源提供了保護機制。一般情況下使用的是信號量方法。創(chuàng)建一個信號量并對他進行初始化，當一個任務需要使用一個共享資源時，他必須先申請得到這個信號量。在這個過程中即使有優(yōu)先權更高的任務進入了就緒態(tài)，因為無法得到信號量，也不能使用該資源。在uC／OS中稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。簡單地說，就是高優(yōu)先級任務必須等待低優(yōu)先級任務的完成。在上述情況下，在2個任務之間發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是無法避免的。所以在使用uC／OS時，必須對所開發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對于某種共享資源是否使用信號量。

對于一個比較復雜的實時系統(tǒng)，并非所有的任務都至關重要，而大多是綜合了軟實時和硬實時兩種需求。軟實時系統(tǒng)只是要求系統(tǒng)盡可能執(zhí)行得快，并不要求在某一特定時間內(nèi)完成。硬實時系統(tǒng)中，任務不但要執(zhí)行無誤，而且要準時完成。因此給定優(yōu)先級是涉及到系統(tǒng)調(diào)度效率的大問題，他又是和具體系統(tǒng)聯(lián)系緊密的一項工作。

2 電梯系統(tǒng)的軟件設計中的多任務劃分

在一座高樓里面往往多臺電梯并存，組成一個群控系統(tǒng)。因此各臺電梯軟件系統(tǒng)除了控制本臺電梯的正常運行，還要與其他電梯交換數(shù)據(jù)，以便進行優(yōu)化的調(diào)度，以減少乘客的等待時間并且節(jié)約能源。

特別地，每臺電梯都關系到人員和設備安全，其系統(tǒng)可靠性非常重要。雖然其最終的安全保障由一定的硬件設備來實施，例如在電梯完全失控下墜時，由安全鉗把轎廂卡在軌道上；但是這些措施采用立刻停止電梯運行的方式，給乘客帶來極大的震動和心理的不適，而且對設備也會造成一定的損傷。因此，軟件系統(tǒng)應該在完成正常功能的同時，作為安全的第一道防線，讓電梯在故障情況下比較緩和的改變速度，減小對人員和設備的沖擊。

2．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)其硬件架構(gòu)如圖1所示。

m臺電梯采用CAN總線連接，各個主控器是對等的，而且每臺電梯內(nèi)部也是CAN總線。

2．2 軟件設計

每臺電梯的軟件是一樣的，其軟件系統(tǒng)設計的優(yōu)先級是：

（1）滿足本機安全 即對于涉及到安全的信號要最快的響應；

（2）滿足本機的正?？刂?即正常控制電梯的操作狀態(tài)和電動機的運轉(zhuǎn)；

（3）盡量及時地響應乘客的召喚 這里面有3個決定因素：一是對下位機的通信響應及時性；二是多個電梯之間的互相通信的及時性；三是調(diào)度算法的有效性。那么設計的任務級別如圖2所示。

這是一個多鏈多任務系統(tǒng)，而且有幾個任務是公共任務。優(yōu)先級的安排是：

在某一個任務鏈中，最重要的任務不希望被同一任務鏈中的其他任務中斷，所以應該設置為最高優(yōu)先級。

除了公共任務以外，任務鏈A中的任何的一個任務都比B中的任何一個任務優(yōu)先級高。 不同任務鏈中的公共任務的設置原則是就高不就低。這種設置保證在優(yōu)先級倒掛的情況下，高級別任務鏈中的任務一次運行最多被阻塞一次。

系統(tǒng)的各個任務具有相對的獨立性。為了增加系統(tǒng)的可靠性，設計一個超級任務用以監(jiān)視幾個重要的任務。其工作的原理是，在重要任務比如說TaskX里面增加下列代碼，

TaskX（）

{讀定時器的值到全局變量X；

…

全局變量X清0；

延時；

}

uC／OS有一個系統(tǒng)時鐘（一般為10～100Hz），每次時鐘中斷時就執(zhí)行一定的代碼。而其中的OSTimeTickHook（）是預留給開發(fā)者的。我們可以利用這個函數(shù)來做以下的事情： OSTimeTickHook（）

{

if（當前定時器的值一全局變量X》=預定時間）{

處理，

﹜

﹜

這樣可以有效地防止系統(tǒng)因為個別任務內(nèi)部出問題而全面崩潰，其實質(zhì)是一種超時控制。

3 小 結(jié)

利用uC／OS提供的系統(tǒng)特征，可以簡化多任務程序設計，滿足多個任務的時間要求，大大降低了開發(fā)難度，輕松地完成前后臺編程方法難以完成的任務。同時利用系統(tǒng)的定時中斷，設計一個超級任務來對其他任務進行監(jiān)控，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。當然我們也看到，程序的可讀性和可維護性也提高了。

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