μC/OS-Ⅱ在应用系统中任务划分方法的研究 嵌入式, 开发, 硬件

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μC/OS-Ⅱ是由Jean J.Labrosse于1992年开始提出的一个源码公开的嵌入式实时多任务操作系统，至今仍在继续发展，其已经在工业控制、仪器仪表、汽车电子、航空航天和消费电子等领域得到了广泛应用。它采用占先式实时调度方式，结构简洁精练、可读性强、性能稳定、便于移植，只需少量的工作就能将其移植到8位、16位和32位微处理器上。目前，μC/OS-Ⅱ已成为嵌入式开发人员入门嵌入式操作系统的合适选择。
开发基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式应用系统，首先需针对目标硬件平台对μC/OS-Ⅱ进行移植。在详细分析总体需求的基础上，将系统功能合理地划分为多个不同任务实现。由此可见，在实现嵌入式应用系统的过程中，任务划分是十分重要的环节。划分任务是否合理有效不仅直接决定了μC/OS-Ⅱ的性能和执行效率，还间接影响着应用系统甚至整个项目的成败。
对于国内众多嵌入式方向的研究人员和爱好者，基于实时操作系统μC/OS-Ⅱ进行教学或者研发，大多侧重于μC/OS-Ⅱ在各种特定目标硬件平台上的移植和简单使用。而μC/OS-Ⅱ上的复杂系统开发特别是划分任务策略虽已引起诸多关注，但到目前为止却鲜有详细而系统的研究成果。本文在总结前人工作和实际开发经验的基础上，研究了μC/OS-Ⅱ任务划分的方法和原则，并结合实践给出基于MC9S12NE64硬件平台的应用实例。
1 μC/OS-Ⅱ的任务管理机制
在μC/OS-Ⅱ中，每个任务可以是一个典型的无限循环，都处在μC/OS-Ⅱ规定的一种任务状态。程序员把一个大地应用程序分成相对独立的多个任务来完成，大大提高了CPU的利用率，极大地方便了应用程序的设计和维护。而多任务系统则通过任务切换实现各个任务之间的调度运行。
从存储结构来看，任务由3个部分组成：任务的程序代码、任务堆栈和任务控制块(PCB)。其中，任务堆栈用来保存该任务运行时的工作环境;任务控制块用来保存该任务的一些属性;任务程序代码则描述了该任务的执行过程。μC/OS-Ⅱ可以管理多达64个任务，其中的空任务(IDLE)和统计任务(STATISTICS)为系统任务，其余都属于用户任务。μC/OS-Ⅱ规定其每个任务必须设置为不同且惟一的优先级(优先级的数值越小，则代表任务的优先级别越高)，而μC/OS-Ⅱ内核会调度处于就绪状态优先级最高的任务进行处理，并分配CPU。就绪状态属于任务的5种状态之一，其余4种状态分别为：睡眠状态、运行状态、等待状态、中断服务状态。μC/OS-Ⅱ的任务总会处于这5种状态之一，并根据不同的条件在5种状态中进行切换，如图1所示。


2 任务划分的方法
2.1 以硬件模块为对象划分任务
在使用μC/OS-Ⅱ划分任务时，应将各硬件模块相关的驱动程序划分为不同的任务，根据硬件模块在系统功能中的关键性顺序设定相应的优先级。以MCU为中心，将各硬件驱动程序划分为独立的任务，不仅有效防止了争用硬件模块出现的问题，还能够提高整个μC/OS-Ⅱ的执行效率，满足应用系统的实时性要求，为系统维护和扩展功能打下良好的基础。
将不同硬件模块的操作划分为不同的任务，使得应用系统必须通过μC/OS-Ⅱ内核调度相应的任务，才能实现对于某个硬件模块的访问。这样，每个模块都有且只有惟一的任务与之对应，其他任务则无权时访问它。这种操作模式有效地避免了由于多个任务同时争用同一硬件模块造成的冲突甚至死锁现象。
按照硬件模块划分任务，可以有效提高μC/OS-Ⅱ的工作效率，增强应用系统对于实时要求的处理能力。例如：如果当前系统正在对并口设备进行处理，由于并口属于慢速设备，其执行速度远远落后于MCU总线频率，因此在其工作过程中MCU大部分时间处于空闲状态，即无事可做直到并口处理完毕为止。将并口驱动独立为单个任务之后，μC/OS-Ⅱ内核就可以通过任务调度使并口处理任务和其他任务并发执行，减少MCU处于空闲状态的时间，从而提高了整个应用系统运行效率。
硬件模块与硬件驱动任务一一对应，使整个软件系统框架清晰、结构合理，增强了系统的可维护性和可扩展性。以增加串行通信功能为例，开发人员只要编写相应串口驱动程序，在μC/OS-Ⅱ中增加串行通信任务即可，无需修改任何其他模块的任务代码。
2.2 划分强实时性任务
实时即立即、及时的意思，根据应用中的实时要求，可以将其分为强实时和弱实时2大类。强实时对于响应时间要求很高，如果实时性得不到满足，系统会出现错误甚至难以挽回的故障。弱实时虽然同样要求调度时间短，响应速度快，但其确定性较差，超过限定时间也能勉强工作。在基于μC/OS-Ⅱ的嵌入式应用系统中，强实时任务能够在限定的时间范围内调度执行，是整个系统稳定可靠，实时有效的重要保障。因此，在划分μC/OS-Ⅱ任务时，应将每个强实时应用划分为独立的任务，与其他应用分开，并设定高优先级，以保证强实时事件的限时发生，避免出现灾难性后果。
假设把某一强实时应用与一弱实时性要求的应用一起打包成为1个任务。在嵌入式应用系统运行过程中，一旦该弱实时应用因为某种原因(例如：等待内存数据、等待外部输入信号、等待中断发生等)导致整个任务进入等待状态，则在等待的事件发生之前，强实时应用也无法通过任务调度得以执行。在强实时系统中，出现了以上所述的情况，结果是不堪设想的。
如果强实时性应用允许通过中断方式“通知”μC/OS-Ⅱ内核，则可将该强实时任务代码放入相应的中断服务程序中去处理。在中断服务程序在发生引起中断处理的事件后，由硬件机制自动加载运行(把中断服务程序的入口地址放入PC寄存器)，无需软件调度干涉，因此可更好保证应用功能的强实时性。在中断服务程序中执行强实时性任务代码，同样必须遵循中断服务程序要尽可能简短的原则。具体的方法是通过分析每个强实时任务功能和代码，将其最重要的核心部分放人中断处理程序中，其余部分形成一个单独的任务，两者可通过任务同步机制(信号量、消息邮箱或者消息队列)进行联系，以达到简化中断处理过程的目的。
2.3 分割耗时较多的任务
在一些较复杂的嵌入式应用系统中，个别任务代码会包含繁琐的计算算法，运行时占用大量的CPU处理时间和资源，严重影响μC/OS-Ⅱ系统的实时性。对于这样的任务，可将其按照不同的内部功能划分为多个模块，每个模块即为一个相对独立的小任务，相互之间通过任务通信机制协调工作。由于需要占用CPU较多的处理时间，这些任务几乎没有实时性要求，所以通常将其优先级设低，以确保强实时任务的正常运行。
例如：当前的μC/OS-Ⅱ系统中有一任务在调度执行时会占用较长时间，导致其运行过程频繁被强实时任务打断，这样CPU就需要“牺牲”大量时间和空间用于保存被打断的任务现场，而整个系统的实时性就会大大降低，执行效率也大打折扣。该任务的描述如下：首先根据算法1处理数据X，其次利用算法2处理数据Y，最后将数据X和数据Y通过算法3得到数据Z。在这种情况下，应将不同的算法处理部分划分为独立的子任务，并根据执行顺序逐次递减任务优先级。由于缩短了单个任务的执行时间，任务的响应时间也随之变短，整个系统的实时性得到了提高。
3 应用实例
作者在参与开发的一个项目网络数据采集系统中使用了μC/OS-Ⅱ进行多任务的管理。该项目基于Freescale公司1994年推出的微处理器MC9S12NE64，主要功能要求网络数据采集系统通过光敏传感器采集工厂生产设备的多个状态指示灯，以获取当前设备的工作状态信息，随后通过UDP包将信息发送至局域网中PC服务器处理。此外，技术人员还能够通过串行通信方式对采集系统进行测试和维护。该采集系统划分的主要任务及其优先级设定如表1所示。


生产设备状态信息采集及处理任务优先级最高，因为该任务属于强实时性任务，无法及时执行会使采集系统处于瘫痪状态。而同样属于实时任务的系统测试维护功能由于实时要求并不高，所以优先级次之。
A/D模块驱动程序、网络模块通信程序、串口通信程序和FIASH模块操作程序与各自硬件单元关系密切，故将它们划分为独立的硬件相关任务。
采集系统中耗时最多、处理最复杂的部分是局域网内的数据通信。由于受到芯片存储空间的限制，作者并没有移植现有源码公开的TCP/IP协议栈，取而代之的是自主研发了简易TCP/IP协议，并将该协议栈中每一层分割成为1个独立的任务存在。
4 结语
μC/OS-Ⅱ是一个公开源码、抢占式、多任务的嵌入式实时操作系统，自1992年面世以来，已应用于上百种产品。与一些商用嵌入式操作系统相比，它源代码结构清晰，易于移植和裁剪，具有很大的发展空间。本文在分析μC/OS-Ⅱ任务管理机制的基础上，对μC/OS-Ⅱ的任务划分进行了初步探究，阐述了一些任务划分的方法：“划分与硬件模块相关的任务”、“划分强实时性任务”、“分割耗时较多的任务”。最后，结合开发实践给出了基于μC/OS-Ⅱ应用系统的任务划分实例。