淺談嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)

嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是一個(gè)可裁剪、源碼開放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高，占用空間小，可移植性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)典型的強(qiáng)實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，具有可確定性。可確定性主要是確保條件出現(xiàn)到由此引起的動(dòng)作開始（或者結(jié)束）的時(shí)間在一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)段內(nèi)。在數(shù)控系統(tǒng)中，條件是由操作員的指令（如：緊急停止、移動(dòng)x軸等）或是機(jī)床的狀態(tài)（如刀具破損等）引起的。本文分析了數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點(diǎn)，結(jié)合μC／OS-Ⅱ的內(nèi)核體系，對(duì)μC／OS-Ⅱ的任務(wù)分類、任務(wù)調(diào)度和中斷服務(wù)策略做了改進(jìn)，使其更加適合于數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用。
　　1 μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)的分類
　　μC／OS-Ⅱ中每個(gè)任務(wù)有5種狀態(tài)：休眠（DORMANT）、就緒（READY）、運(yùn)行（RUNNING）、等待（WAITING）、中斷（ISR）。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲(chǔ)器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準(zhǔn)備執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，沒有得到CPU控制權(quán)；任務(wù)得到CPU控制權(quán)后就處于運(yùn)行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務(wù)處于等待狀態(tài)，事件可以是I／O操作完成、共享資源可以利用、時(shí)鐘周期到等；任務(wù)執(zhí)行過程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。
　　2 μC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)
　　2．1 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點(diǎn)
　　在數(shù)控系統(tǒng)中，任務(wù)可分為兩種：周期運(yùn)行的任務(wù)和信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行的任務(wù)，這里所說的信號(hào)即包括硬件信號(hào)，也包括軟件信號(hào)。周期運(yùn)行的任務(wù)有定時(shí)信號(hào)采樣、定時(shí)I／O口掃描、定時(shí)通信等。信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行的任務(wù)有中斷信號(hào)（硬件信號(hào)）觸發(fā)的中斷服務(wù)任務(wù)，命令消息信號(hào)（軟件信號(hào)）觸發(fā)的命令解釋任務(wù)等。另外，數(shù)控系統(tǒng)中，有些任務(wù)還具有運(yùn)行時(shí)間短，運(yùn)行頻率高，要求實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，如信號(hào)采樣、數(shù)控機(jī)床中的插補(bǔ)控制等。
　　2．2 改進(jìn)后的任務(wù)劃分
　　在改進(jìn)后的嵌入式操作系統(tǒng)中任務(wù)分為兩類：普通任務(wù)和搶占式任務(wù)。普通任務(wù)指通過操作系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行的任務(wù)，調(diào)度方法如圖1所示；搶占式任務(wù)指那些不通過調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行，而是在中斷處理中直接運(yùn)行的任務(wù)。下面詳細(xì)說明這兩種任務(wù)。
　　
　　2．2．1 普通任務(wù)
　　根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)多為周期任務(wù)和信號(hào)觸發(fā)任務(wù)這一特點(diǎn)，將普通任務(wù)分為兩種：定時(shí)運(yùn)行的周期任務(wù)（簡(jiǎn)稱周期任務(wù)）和信號(hào)觸發(fā)運(yùn)行的隨機(jī)任務(wù)（簡(jiǎn)稱隨機(jī)任務(wù)）。相應(yīng)的，任務(wù)狀態(tài)被劃分為6種：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)、停止態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。圖1為改進(jìn)后的任務(wù)狀態(tài)切換圖。
　　在這六種狀態(tài)中，運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)和中斷態(tài)對(duì)應(yīng)μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；掛起態(tài)是任務(wù)在執(zhí)行完成前，因等待某事件或資源而被迫停止運(yùn)行，等待事件或資源到來的狀態(tài)；等待態(tài)是周期任務(wù)完成一次運(yùn)行，等待運(yùn)行周期到再次運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)；停止態(tài)是隨機(jī)任務(wù)等待其觸發(fā)信號(hào)的狀態(tài)。這里去掉了休眠態(tài)，即沒有任務(wù)的刪除，所有的任務(wù)一旦建立，在系統(tǒng)運(yùn)行期間一直存在。這樣的處理是因?yàn)樵跀?shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中，所有建立的任務(wù)一定是有用的，即在系統(tǒng)運(yùn)行期間一定會(huì)被執(zhí)行，無用的代碼和任務(wù)不會(huì)被添加。在μC／OS-Ⅱ中，設(shè)定每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無限的循環(huán)，即任務(wù)函數(shù)永不返回，這樣做是不合適的。該操作系統(tǒng)允許任務(wù)函數(shù)返回，返回后調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal（），該函數(shù)根據(jù)任務(wù)的類別，把周期任務(wù)放入等待隊(duì)列，把隨機(jī)任務(wù)放入停止隊(duì)列。
　　2．2．2 搶占式任務(wù)
　　搶占式任務(wù)為執(zhí)行時(shí)間短且執(zhí)行頻率高于OS系統(tǒng)時(shí)鐘頻率（如信號(hào)采樣），或?qū)崟r(shí)要求高（如數(shù)控機(jī)床中的插補(bǔ)控制）的任務(wù)。調(diào)度任務(wù)時(shí)間（主要是任務(wù)切換所花費(fèi)的時(shí)間）往往比這類任務(wù)運(yùn)行一次的時(shí)間還多，這顯然是不合理的，搶占式任務(wù)正是為解決這種不合理而設(shè)計(jì)的。搶占式任務(wù)不通過OS調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行，也不采用TCB（任務(wù)控制塊）標(biāo)識(shí)它們，而是在它們的中斷觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，在中斷中_直接處理，這樣做節(jié)省了調(diào)度、任務(wù)切換的時(shí)間。但是，由于搶占式任務(wù)沒有TCB，也就沒有相應(yīng)的任務(wù)堆棧，所以搶占式任務(wù)在使用資源上要特別注意：一定要使用獨(dú)立的資源。這樣既可以使搶占式任務(wù)正常運(yùn)行，又可以避免搶占式任務(wù)對(duì)被中斷程序的環(huán)境造成破壞。具體辦法如下：
　?。?）專用寄存器組。若處理程序中使用了寄存器，則為其分配專用的寄存器組，這樣也省去了保存／恢復(fù)寄存器的時(shí)間消耗。
　?。?）全局變量。因?yàn)楹瘮?shù)內(nèi)部的局部變量是分配在堆棧中的，直接處理方式不形成任務(wù)，沒有自己的堆棧，如果使用局部變量，其局部變量會(huì)分配在被中斷任務(wù)的堆棧內(nèi)，所以在該方式下任務(wù)應(yīng)使用全局變量。用戶在設(shè)計(jì)搶占式任務(wù)時(shí)要有一定限制，否則會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。具體限制如下：第一，數(shù)量不能太多，最好小于等于3個(gè)；第二，必須是執(zhí)行時(shí)間短，執(zhí)行頻率高的任務(wù)才能被設(shè)為搶占式任務(wù)。
　　3 需要修改的內(nèi)核數(shù)據(jù)和函數(shù)