μC/OS-II的多任務(wù)系統(tǒng)實時性分析與優(yōu)先級分配

μC/OS-II的多任務(wù)系統(tǒng)實時性分析與優(yōu)先級分配

從產(chǎn)品研發(fā)的角度，針對小資源系統(tǒng)中使用μC/OS-II的實時性和優(yōu)先級關(guān)系進行了分析，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用解決方案。這些措施獲得了良好的任務(wù)并行性和實時響應(yīng)，節(jié)約了代碼存儲空間。

關(guān)鍵詞 μC/OS-II 實時性 可變?nèi)蝿?wù)堆棧 優(yōu)先級

引言

　　μC/OS-II作為一種輕量級的嵌入式實時操作系統(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，限于6~12 MHz的主頻、12個Clock的機器周期以及有限的存儲器資源，使用μC/OS-II會大大加重系統(tǒng)負擔，使應(yīng)用程序的運行受到影響，特別在快速A/D轉(zhuǎn)換等實時性較強的場合，無法得到及時的響應(yīng)，于是才有了更輕量級的Small RTOS等操作系統(tǒng)的出現(xiàn)。

　　但目前更強勁的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)可以流暢地運行μC/OS-II[1]。μC/OS-II的移植版本很多，選擇一個適合系統(tǒng)CPU的版本，然后進行正確的配置和優(yōu)化是非常重要的。

1? 系統(tǒng)實時性分析

　　本系統(tǒng)工作原理是在恒定溫度條件下，任意啟動4個測試通道來進行多個項目的并行分析，每個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個光學(xué)傳感器輸出進行采樣，ADC0可以構(gòu)成4個差分測試通道以滿足需求。系統(tǒng)還要求能對2路溫度實現(xiàn)實時控制，用于監(jiān)控2個外部溫度傳感器的輸出電壓： 一個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；另一個用于監(jiān)測機箱溫度，在32 ℃以上時啟動風扇散熱，30 ℃以下關(guān)閉風扇。

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、試劑添加、微分測量、結(jié)果處理6個階段。其中前4個屬于操作階段，操作者通過每個通道的進度條、轉(zhuǎn)動條和狀態(tài)標志塊，在LCD界面上獲得明確的操作指示，確保每個通道的正確操作。

　　要求在通道啟動后，能精確地每隔0.1 s完成一次采樣并處理數(shù)據(jù)，所以每個通道的最長處理時間不能超過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100 ksps，約10 μs/次，因此可采用過采樣后的高平滑，同時提高精度和穩(wěn)定性。簡單地計算，如果每個通道采樣1 024次后平均計算，則4個通道的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)，然后才能啟動下一次A/D轉(zhuǎn)換，所以實際轉(zhuǎn)換速度是不能達到100 ksps的。通過調(diào)試，合理的選擇為每個采樣點取1 024次平滑濾波。實際處理中，把A/D轉(zhuǎn)換精度從12位擴展到了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的右移次數(shù)和擴大滿量程基數(shù)來完成[2]。

　　除了實時性的要求必須得到嚴格滿足外，有很多因素需要一并考慮。例如每個通道測試過程中的圖形動態(tài)顯示，通道測試過程中的鍵值交叉處理，獨立于測試之外的實時溫度控制，耗時較多的測試結(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，還必須提供一項強制結(jié)束功能：在任何測試階段按Exit鍵，確認后可退出所有測試。

　　總體上看，系統(tǒng)在各個通道共用1個鍵盤、1個串口、1個打印機、1個LCD顯示器、1個A/D轉(zhuǎn)換器的條件下，能進行獨立控制，互不干擾地進行各自的測試、計算、顯示、傳送和輸出，滿足實時性和并行性要求。

2? 內(nèi)存分配

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

　　每個任務(wù)必須有自己的任務(wù)棧，任務(wù)棧由系統(tǒng)物理?？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，物理棧拷貝區(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)沒有擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。首先分析一下系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)存的需求情況：

　　①? 系統(tǒng)顯示部分使用了240×128點陣的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；
　　②? Flash除了用作程序存儲器外，剩下的部分作為非易失性數(shù)據(jù)存儲器。每個Flash塊為1 KB，故需要1 KB的RAM作為Flash的讀寫緩沖區(qū)；
　　③? GUI自身約占去了1 KB內(nèi)存；
　?、? 傳感器響應(yīng)曲線需打印，其點坐標數(shù)據(jù)（對應(yīng)打印機384個點行）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，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，一個嵌入式系統(tǒng)中不會建立60個以上的任務(wù)。從簡單的角度考慮，應(yīng)用μC/OS-II時，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)的方法會對內(nèi)存數(shù)量提出較高要求。例如50個任務(wù)，每個任務(wù)棧均為128字節(jié)，則需要6 KB的RAM。

　　本著這樣一個原則來改進任務(wù)劃分：不需要駐留的任務(wù)運行完畢即刪除，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，還可以重用任務(wù)堆棧，并且減少同時運行的任務(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作，就可以依靠刪除任務(wù)來實現(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)而言顯然是在浪費寶貴的RAM，大小可變的任務(wù)棧才是經(jīng)濟合理的。

　　首先，在os_cfg.h頭文件中增加大、小兩個宏參數(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)棧時使用它們：
　　OS_STK TaskDelStk1[MinStkSize];
　　OS_STK TaskDelStk2[MaxStkSize];

　　TaskDelStk1和TaskDelStk2是兩個可刪除任務(wù)所使用的任務(wù)棧，一個80字節(jié)，另一個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中進行處理：定義一個全局整型變量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，會因為堆棧不能正確初始化導(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)，運行時建立，運行完刪除，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：

　?、??主任務(wù)。用于控制程序流程，使用大任務(wù)棧，相當于主函數(shù)。
　　②? 溫度檢測任務(wù)。使用小任務(wù)棧，系統(tǒng)初始化后創(chuàng)建，并一直運行；每秒檢測一次溫度，根據(jù)兩個溫度傳感器的狀況調(diào)整加熱時間占空比和啟停散熱風扇，維持37 ℃恒溫。
　?、? 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)出的信號量，進行處理后發(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)時間。
　?、??旋轉(zhuǎn)光標指示器任務(wù)： 使用小任務(wù)棧。該任務(wù)在自檢和通道測試時起過程指示作用，當過程進行時，光標旋轉(zhuǎn)，過程結(jié)束則光標停止。因為在主任務(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，通過定時判斷4個標志位來決定是否旋轉(zhuǎn)1~4個光標。

　　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個任務(wù)。

　　①? 超時檢測任務(wù)：使用小任務(wù)棧，用于檢驗?zāi)骋贿^程是否超時。
　?、? 日期時間顯示：使用小任務(wù)棧，在主菜單中定時顯示日期時間。離開主菜單后即可刪除，回到主菜單再重新建立。
　?、? ADC0任務(wù)：使用小任務(wù)棧，每隔100 ms掃描4個測試通道的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個小堆棧任務(wù)不會同時運行，因此共享同一個任務(wù)堆棧。
　?、軂⑦? 通道1～4的測試任務(wù)：使用大任務(wù)棧，4個任務(wù)對應(yīng)4個通道的并行測試。
　?、??數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)：使用大任務(wù)棧，因為涉及較多的局部變量。如果直接在通道測試任務(wù)中進行打印和傳送，那么數(shù)據(jù)打印和串口傳送的時間之和可能會超過100 ms；特別是圖形點陣打印，有較多的數(shù)據(jù)發(fā)往打印機。這種情況違背了每次100 ms的精確采樣時間要求，丟失了數(shù)據(jù)，所以單獨安排為一個任務(wù)在后臺運行。

　　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，使用的任務(wù)?？臻g只有大約1 KB。

4? 任務(wù)優(yōu)先級分配

　　優(yōu)先級的合理分配圍繞實時性要求進行，因為可用優(yōu)先級較多，所以任務(wù)優(yōu)先級之間可取較大間隔。這樣當有更多的任務(wù)加入時，能安排在這些間隔中，不用改變已有任務(wù)的優(yōu)先級。本系統(tǒng)中優(yōu)先級關(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，而可刪除任務(wù)每一次創(chuàng)建時卻能夠?qū)?yīng)不同的任務(wù)函數(shù)和優(yōu)先級，且使用同一個任務(wù)棧。

　　一個任務(wù)函數(shù)可用于多個任務(wù)，這種“重用”的特性在獲得任務(wù)并行性的同時，最大限度地節(jié)約了代碼。本系統(tǒng)只有一個測試函數(shù)，卻構(gòu)成了4個并行的通道任務(wù)。這些任務(wù)都是進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個測試函數(shù)接受任務(wù)創(chuàng)建時主任務(wù)傳遞過來的參數(shù)，為本通道的計算、顯示、數(shù)據(jù)存儲等一系列工作服務(wù)。

5? 資源共享的處理

　　ADC0、LCD、打印機和串口等資源被4個測試任務(wù)所共享。資源共享有一些經(jīng)典的方法（如信號量、全局變量等），需要根據(jù)實際需求靈活運用。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個通道一次，產(chǎn)生4個郵箱消息發(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的精確定時由定時器中斷獲得，中斷服務(wù)發(fā)出信號量啟動AD任務(wù)。一次掃描完成后A/D掃描轉(zhuǎn)換任務(wù)掛起，直至下一次信號量到來。
　　②? 對于LCD，情況要復(fù)雜一些，每個測試任務(wù)都要在LCD的各自區(qū)域顯示，但是LCD不能實現(xiàn)2個以上位置同時進行顯示處理，所以當涉及顯示過程時需要禁止任務(wù)切換，否則會造成顯示混亂。例如，當一個低優(yōu)先級任務(wù)的顯示工作還沒有完成時，若發(fā)生了任務(wù)切換，則高優(yōu)先級任務(wù)去進行另一個顯示。當重新切換回低優(yōu)先級任務(wù)后就沒有辦法繼續(xù)未完的顯示，因為顯示位置已經(jīng)被高優(yōu)先級任務(wù)所改變。
　?、? 對于打印機和串口，也有類似的問題，不允許一個結(jié)果尚未打印完成又去打印另一個結(jié)果。禁止任務(wù)切換的辦法不適合這里，因為打印和傳送耗時比LCD顯示長很多，禁止任務(wù)切換會影響到測試的實時性，它們單獨建立后臺任務(wù)的原因也在于此。

　　數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)循環(huán)掃描各個通道的請求服務(wù)標志，當標志有效時即為該通道服務(wù)，服務(wù)完畢清除該標志，因數(shù)據(jù)打印和傳送任務(wù)的優(yōu)先級較低而不會對其他測試任務(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)標志，檢測到標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)先級測試任務(wù)不會影響打印過程，因為先檢測到標志的通道獨占資源，直至傳送和打印完成后，打印任務(wù)才去檢測下一個標志；高優(yōu)先級任務(wù)的輸出請求要等低優(yōu)先級輸出完畢才能得到響應(yīng)，優(yōu)先級反轉(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)合實時性的要求，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運行的任務(wù)數(shù)量的改進措施。實踐證明，這些措施可以充分發(fā)揮μC/OS-II小巧精悍的特點，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，實際代碼大小幾乎與原來相同，性能卻有了很大的提高。