嵌入式5個RTOS程序設(shè)計建議

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正文

今天聊一下RTOS應(yīng)用程序設(shè)計的五個實踐技巧。

我在編寫RTOS應(yīng)用程序的過程中，經(jīng)常會遇到這些困難，包括正確確定系統(tǒng)中有多少任務(wù)、如何設(shè)置優(yōu)先級、協(xié)調(diào)任務(wù)行為、避免常見陷阱，有時只是為了讓應(yīng)用程序正常工作！

如今，近三分之二的嵌入式系統(tǒng)使用 RTOS，而且隨著系統(tǒng)的時序要求變得越來越復(fù)雜，這個數(shù)字只會隨著時間的推移而增加。在今天的文章中，我們將研究設(shè)計基于 RTOS 的應(yīng)用程序的五個最佳實踐技巧。

一、任務(wù)分解

首先我們可以遵循的第一個最佳實踐技巧就是使他們的 RTOS 應(yīng)用程序開發(fā)成功，是使用任務(wù)分解來獲得應(yīng)用程序中正確數(shù)量的任務(wù)。

有許多技術(shù)可用于分解任務(wù)，但我喜歡使用的一種對嵌入式開發(fā)人員很有效的方法是使用由外向內(nèi)（outside-in）的方法。在這種方法中，開發(fā)人員遵循七個簡單的步驟：

識別并列出主要的系統(tǒng)組件；

繪制高級框圖；

標(biāo)記系統(tǒng)輸入；

標(biāo)記輸出；

確定一級任務(wù)；

確定并發(fā)級別和依賴項；

確定第二層任務(wù)（應(yīng)用程序任務(wù)）；

在為恒溫器等物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點執(zhí)行此過程時，最終可能會得到如下圖所示：

在這種情況下，系統(tǒng)通常有六個任務(wù)，其中一個任務(wù)監(jiān)督應(yīng)用程序代碼。（根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜性，可以進一步分解此任務(wù)）。

二、選擇正確的調(diào)度算法來分配優(yōu)先級

我觀察到很多使用 RTOS 的開發(fā)人員從不花時間決定他們將如何安排他們的任務(wù)。他們通常假設(shè) RTOS 會為他們做這件事，并且他們的任務(wù)會根據(jù)提供他們選擇的任務(wù)優(yōu)先級成功運行。

事實是，開發(fā)人員可以通過多種不同的方式來安排任務(wù)。

首先，開發(fā)人員可以使用任務(wù)響應(yīng)時間來調(diào)度任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，響應(yīng)時間最短的任務(wù)應(yīng)該被分配最高優(yōu)先級。

其次，開發(fā)人員可以使用一個任務(wù)執(zhí)行時間來調(diào)度任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，執(zhí)行時間最短的任務(wù)應(yīng)該被分配最高優(yōu)先級。

最后，開發(fā)人員可以使用任務(wù)周期來安排任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，周期最短的任務(wù)優(yōu)先級最高。

只有在您選擇了調(diào)度方法之后，您才能正確設(shè)置您的任務(wù)優(yōu)先級。（我看到很多開發(fā)人員只是猜測）。

三、使用RMS驗證任務(wù)是否可調(diào)度

大多數(shù)使用 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)中使用的調(diào)度算法是基于周期的調(diào)度，也稱為速率單調(diào)調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling）。

多年來，人們對如何使用 RMS 正確安排任務(wù)進行了大量研究。通常，RMS 附帶了開發(fā)人員需要牢記的幾個假設(shè)。

首先，RMS 假設(shè)任務(wù)是周期性的并且它們也是獨立的。這意味著，如果您有一個非周期性任務(wù)，在分析中我們會假設(shè)為它提供一些周期性時間。

接下來，RMS 假設(shè) RTOS 使用搶占式調(diào)度。它還假設(shè)所有任務(wù)都相等并且最壞情況的執(zhí)行時間是恒定的。

我經(jīng)常發(fā)現(xiàn) RMS 非常適合對我開發(fā)的 RTOS 應(yīng)用程序架構(gòu)是否有意義或者我是否在錯誤的方向進行完整性檢查。

例如，我可以假設(shè)具有以下任務(wù)的系統(tǒng)的行為方式并確定它是否可以成功調(diào)度其任務(wù)：

對于使用 RMS 的系統(tǒng)，對于具有無限數(shù)量任務(wù)的系統(tǒng)，所有這些任務(wù)的 CPU 使用率必須低于 69.3%。對于上述系統(tǒng)，我們可以看到總利用率為 52%，這意味著它們應(yīng)該是可調(diào)度的。

四、使用同步和數(shù)據(jù)流圖

在使用由外向內(nèi)（outside-in）的方法確定我在應(yīng)用程序中需要的所有任務(wù)后，我通常會創(chuàng)建一個同步和數(shù)據(jù)流圖。此圖的目的是：

映射系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的來源

映射數(shù)據(jù)如何從其源轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中的任務(wù)

映射如何存儲和訪問該數(shù)據(jù)

映射如何使用該數(shù)據(jù)來生成系統(tǒng)輸出

早些時候，我以連接互聯(lián)網(wǎng)的恒溫器為例。下面是我們可能為該應(yīng)用程序制作的數(shù)據(jù)流和同步圖。

如您所見，此圖不僅可以幫助我們了解數(shù)據(jù)如何在系統(tǒng)中移動，還可以幫助我們了解應(yīng)用程序中所需的 RTOS 組件，例如：

隊列

流緩沖區(qū)

信號量

互斥體

如果沒有這樣的圖表，開發(fā)團隊必然會遇到開發(fā)和維護問題。

五、預(yù)先定義任務(wù)和消息界面接口

一旦創(chuàng)建了數(shù)據(jù)流圖，就很容易開始對應(yīng)用程序進行編碼。

這無疑會在一段時間內(nèi)順利進行，但我發(fā)現(xiàn)如果開發(fā)人員不花時間預(yù)先仔細定義任務(wù)和消息接口，它可能會導(dǎo)致返工。

雖然數(shù)據(jù)流圖通常顯示數(shù)據(jù)如何通過應(yīng)用程序傳播，但它并不一定要求定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

目標(biāo)是預(yù)先檢查每個消息隊列，然后為這些消息構(gòu)建結(jié)構(gòu)。這很重要，因為它將定義消息的外觀，而且還將有助于任何底層模塊的接口的外觀。例如，管理一系列閥門的任務(wù)可能需要包含以下內(nèi)容的消息：

閥門 ID

閥門狀態(tài)

閥門所需的時間

再說一次，它可能會期待：

定義閥門狀態(tài)的面罩

準(zhǔn)時清單

歸根結(jié)底，做事的方式總是不止一種，一種不一定比另一種更好。但是，在為支持任務(wù)執(zhí)行的其他模塊構(gòu)建接口時，了解正在傳遞的消息將有所幫助。

結(jié)論

實時操作系統(tǒng)比以往任何時候都更多地用于開發(fā)實時應(yīng)用程序。

我們在今天的文章中探討了幾個技巧，這些技巧不僅可以幫助讀者創(chuàng)建更清晰、更靈活的 RTOS 應(yīng)用程序，還可以幫助他們傳達應(yīng)用程序的設(shè)計意圖。這些技巧應(yīng)該可以幫助讀者快速開始他們的應(yīng)用程序開發(fā).

　審核編輯：湯梓紅