基于32位單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)國內(nèi)32位單片機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的普及使用，結(jié)合國外先進(jìn)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)以及傳統(tǒng)前后臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套由多任務(wù)調(diào)度機(jī)制和前后臺(tái)中斷觸發(fā)機(jī)制相結(jié)合的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，自動(dòng)完成任務(wù)調(diào)度，及任務(wù)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析，通過搭建統(tǒng)一工業(yè)級(jí)軟件運(yùn)行平臺(tái)，增強(qiáng)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品功能安全性能。

關(guān)鍵詞：32位單片機(jī)；工業(yè)自動(dòng)化；實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)；前后臺(tái)系統(tǒng)；統(tǒng)一工業(yè)級(jí)軟件運(yùn)行平臺(tái)；模塊化

中圖分類號(hào)：TP368.1

隨著32位單片機(jī)功耗及成本的降低，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的使用正在逐步普及。由于32位單片機(jī)提供給了工業(yè)級(jí)智能型產(chǎn)品開發(fā)者更多的內(nèi)存空間及外設(shè)資源同時(shí)具有更快的處理速度，更高的運(yùn)行效率，并且與DSP控制器逐漸同治化，在控制及信號(hào)處理領(lǐng)域很有發(fā)展前景；在32位單片機(jī)前，由于性能的局限性，對(duì)每個(gè)基于單片機(jī)的產(chǎn)品的開發(fā)，更多的是考慮如何使用有限的存儲(chǔ)空間以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，如何改進(jìn)算法使得單片機(jī)能跑得起來而又不影響實(shí)時(shí)性。因此每款產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)幾乎都是獨(dú)立的，是基于該產(chǎn)品的功能定制的，使用的單片機(jī)類型也多種多樣，不具備通用性，在后期移值和借鑒方面存在很大的困難；隨著32位單片機(jī)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，其存儲(chǔ)空間大，運(yùn)行速度快，功耗低，可控外設(shè)多等優(yōu)勢(shì)突現(xiàn)出來；使得軟件系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化得以實(shí)現(xiàn)，就如同民用PC操作系統(tǒng)一樣，使得所有應(yīng)用開發(fā)者有機(jī)會(huì)在一個(gè)統(tǒng)一的穩(wěn)定的平臺(tái)下，采用同一規(guī)范開發(fā)不同種類的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)不同的功能；將功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)分離，得以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品開發(fā)者不再為每款產(chǎn)品搭建低層系統(tǒng)架構(gòu)，可以專注于產(chǎn)品的功能需求和功能應(yīng)用的開發(fā)；我們通常將32位單片機(jī)中采用的系統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)；

嵌入式系統(tǒng)通常采用兩種模式，第一種是前后臺(tái)系統(tǒng)（也叫超循環(huán)系統(tǒng)）；第二種是多任務(wù)系統(tǒng)；這兩個(gè)系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)，前后臺(tái)系統(tǒng)在工業(yè)產(chǎn)品方面特別是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表類產(chǎn)品比較常見，工業(yè)化智能產(chǎn)品功能相對(duì)單一通常用于采集傳感器信號(hào)進(jìn)行前期處理后將數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)傳給控制系統(tǒng)，同時(shí)只需要處理幾件具有前后因果關(guān)系的關(guān)聯(lián)事務(wù)，而主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的安全性及可控性，系統(tǒng)注重在某個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)，執(zhí)行/完成某個(gè)固定時(shí)間段的任務(wù)，某項(xiàng)任務(wù)必須在另一項(xiàng)任務(wù)完成后開始執(zhí)行，否則屬于無效任務(wù)；多任務(wù)系統(tǒng)在民用產(chǎn)品以及二次儀表和控制系統(tǒng)中采用交多，具有可以同時(shí)并行處理多項(xiàng)互不相關(guān)的任務(wù)的能力，能夠提供多元化的功能配置，相比前者系統(tǒng)邏輯控制比較復(fù)雜，特別是在任務(wù)間信息傳輸和任務(wù)見內(nèi)存分配上，及任務(wù)調(diào)度機(jī)制方面，對(duì)開發(fā)者各方面具有較高的要求，在多任務(wù)系統(tǒng)上開發(fā)產(chǎn)品需要循序漸進(jìn)，要很熟練的掌握系統(tǒng)的性能需要交長時(shí)間的學(xué)習(xí)和使用；

因?yàn)?2位單片機(jī)在商業(yè)領(lǐng)域推廣已經(jīng)十幾年了，目前國內(nèi)采用的由幾家國外大公司開發(fā)的多任務(wù)操作系統(tǒng)技術(shù)方面已經(jīng)比較成熟，對(duì)現(xiàn)有多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)版本的更新也多是圍繞可執(zhí)行更多的任務(wù)數(shù)量，任務(wù)優(yōu)先級(jí)數(shù)量，任務(wù)調(diào)度方法，系統(tǒng)檢測(cè)能力，信息傳輸方法等方面；而工業(yè)控制領(lǐng)域從2011年開始普及32位單片機(jī)，因此國內(nèi)/外儀器儀表生產(chǎn)企業(yè)對(duì)工業(yè)控制產(chǎn)品軟件系統(tǒng)架構(gòu)還沒有統(tǒng)一的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)；本文就根據(jù)國際上對(duì)工業(yè)產(chǎn)品軟件質(zhì)量及功能安全標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，結(jié)合作者自己在儀器儀表產(chǎn)品開發(fā)過程中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品軟件系統(tǒng)規(guī)范化進(jìn)行研究；

本文結(jié)合Ucos多任務(wù)系統(tǒng)以及前后臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，搭建了一套由多任務(wù)調(diào)度機(jī)制和前后臺(tái)中斷觸發(fā)機(jī)制相結(jié)合的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，去除了不同單片機(jī)及編譯器的相關(guān)性，可直接用于各型號(hào)32位單片機(jī)和高性能16位單片機(jī)的應(yīng)用軟件開發(fā)；通過加入少量指令也可以用于如電池供電型產(chǎn)品的超低功耗應(yīng)用；

首先將系統(tǒng)的任務(wù)處理機(jī)從功能模塊中獨(dú)立出來；任務(wù)處理機(jī)作為系統(tǒng)的核心，主要功能是任務(wù)調(diào)度，以及任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)分析處理；它并不關(guān)心任務(wù)具體完成的功能，只是確保各任務(wù)能夠按照開發(fā)者提供給系統(tǒng)的任務(wù)配置正常運(yùn)行，并統(tǒng)計(jì)輸出具體的性能參數(shù)，給任務(wù)提供一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行平臺(tái)同時(shí)方面開發(fā)者讀取個(gè)任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)，減少任務(wù)開發(fā)過程中的不確定性；開發(fā)者只需要將功能需求，以任務(wù)的形式提交給系統(tǒng)，簡(jiǎn)單配置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別，以及響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行并反饋任務(wù)狀態(tài)，幫助開發(fā)者對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化；一個(gè)任務(wù)必須對(duì)應(yīng)一個(gè)功能模塊；而一個(gè)功能模塊可以設(shè)計(jì)多個(gè)自任務(wù)；為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，邏輯清晰每個(gè)功能模塊最好將任務(wù)數(shù)保持在三個(gè)以下；同一個(gè)功能模塊下的任務(wù)之間的通信，可通過模塊內(nèi)部變量直接完成；不同功能模塊下的任務(wù)之間的通信，可通過模塊提供的接口完成；這樣可以優(yōu)化系統(tǒng)的模塊化配置，減少某功能運(yùn)行出錯(cuò)帶來不確定因素；每個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，有各自的初始化配置，完成任務(wù)，糾錯(cuò)與自恢復(fù)能力；系統(tǒng)通過任務(wù)狀態(tài)機(jī)讀取任務(wù)配置信息，自動(dòng)完成任務(wù)調(diào)度，并將任務(wù)信息提供給相應(yīng)功能模塊分析處理，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行時(shí)序發(fā)生錯(cuò)亂時(shí)系統(tǒng)能對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控并進(jìn)行恢復(fù)如圖1：

圖1

每個(gè)功能模塊由輸入接口、輸出接口、模塊內(nèi)部變量和方法三部分組成如圖2：

圖2

任務(wù)處理機(jī)由任務(wù)狀態(tài)分析機(jī)、任務(wù)調(diào)度機(jī)、模塊內(nèi)部變量和方法三部分組成如圖3：

圖3

為了滿足任務(wù)安全控制要求，需要在進(jìn)入任務(wù)前設(shè)置先決條件判定，任務(wù)完成后設(shè)置后續(xù)條件判定以避免任務(wù)執(zhí)行邏輯順序出錯(cuò)，如果運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)存在錯(cuò)誤，既對(duì)任務(wù)安全狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)如圖4：

圖4

根據(jù)工業(yè)儀器儀表產(chǎn)品的需求分析可以將系統(tǒng)分解為十個(gè)主要的功能模塊如圖5：

圖5

對(duì)以上功能模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)得到與各模塊功能對(duì)應(yīng)的子任務(wù)函數(shù)及模塊間通信接口如圖6：

圖6

以下是該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是通過一個(gè)時(shí)鐘中斷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘節(jié)拍通常設(shè)置為10～100ms，這里中斷只是調(diào)用OS_TickInt函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，而不進(jìn)行具體操作（如果在中斷加入退出低功耗指令，可以在每個(gè)節(jié)拍到來時(shí)喚醒系統(tǒng)，完成任務(wù)后再次觸發(fā)指令進(jìn)入低功耗模式），所有任務(wù)調(diào)度主要是通過時(shí)鐘節(jié)拍中斷觸發(fā)Task_Tick系統(tǒng)任務(wù)完成，在單片機(jī)空閑狀態(tài)下Task_Tick系統(tǒng)任務(wù)持續(xù)執(zhí)行，計(jì)算采集到的中斷中產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)；并根據(jù)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)響應(yīng)時(shí)間為依據(jù)將任務(wù)喚醒并執(zhí)行；通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試該系統(tǒng)能為每個(gè)任務(wù)提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)鐘管理，以至于不會(huì)因?yàn)槟稠?xiàng)任務(wù)運(yùn)行時(shí)間較長，影響到其它任務(wù)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性；由于該系統(tǒng)沒有采用多任務(wù)系統(tǒng)中的子任務(wù)堆棧方式，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)無法打斷運(yùn)行中的任務(wù)，但提供了任務(wù)遺失數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用；該系統(tǒng)通過提供運(yùn)行參數(shù)副本的形式供功能模塊任務(wù)查詢；而對(duì)副本數(shù)據(jù)的篡改也不會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性；本系統(tǒng)可提供任務(wù)執(zhí)行時(shí)間長度，任務(wù)響應(yīng)時(shí)間，任務(wù)計(jì)數(shù)器，任務(wù)丟失次數(shù)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)超時(shí)警告，任務(wù)ID，任務(wù)名稱等信息的統(tǒng)計(jì)；相對(duì)過去的前后臺(tái)系統(tǒng)方式，本系統(tǒng)可提供的信息量更多，使得開發(fā)人員錯(cuò)誤分析更方便，也降低了開發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)的熟悉程度要求；

以下為時(shí)鐘信號(hào)采集函數(shù)由類定時(shí)器中斷函數(shù)調(diào)用，為系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)時(shí)鐘；

void OS_TickInt（void）{

Task_TickNum++；

Goin=1；

}

以下為系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)算及任務(wù)調(diào)度函數(shù)，通過時(shí)鐘管理器計(jì)算OS_TickInt捕獲到的時(shí)鐘信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍，驅(qū)動(dòng)任務(wù)；

void Task_Tick（void）{

uint8_t i，indexa=0，indexbegin=0；

if（Goin==1）{

Goin=0；

Task_TickNumNow=Task_TickNum；

Task_TickNum=0；

if（Task_TickNumNow！=0）{

for（i=0；i

_Task_Sched[i].Tick+=Task_TickNumNow；

}

}

}

for（i=0；i=_Task_Sched[i].TickReload/Ticker）{

if（indexbegin==0）{

indexa=i；

indexbegin=1；

} if（_Task_Sched[i].Prio>=_Task_Sched[indexa].Prio）{

indexa=i；

}

Goinsub=1；

}

}

if（Goinsub！=0）{

Task_Seqcheck（）；

TaskPtr=_Task_Sched[indexa].Point；_Task_Sched[indexa].TimerLoseNum=Task_TickNumNow*Ticker/_Task_Sched[indexa].TickReload；

_Task_Sched[indexa].Goin=1； _Task_Sched[indexa].Tick=_Task_Sched[indexa].Tick%（_Task_Sched[indexa].TickReload/Ticker）；

_OSStatus.TaskCurIndex=indexa；

Task_TickStart=Task_TickNum；

}

}

通過調(diào)用各模塊初始化函數(shù)，完成系統(tǒng)及外設(shè)初始化狀態(tài)配置，并將子任務(wù)插入系統(tǒng)就緒任務(wù)列表；

void SysConfig_Ini（void）{

SystemInit（）； //MCU時(shí)鐘配置

OS_Ini（）； //系統(tǒng)初始化Task_Create（FirstTask，500，1，\"First Task12124214\"）； //FirstTask任務(wù)建立，重裝載時(shí)間500ms，優(yōu)先級(jí)1，名稱\"First Task12124214\"（由于字符數(shù)超過15個(gè)字符，系統(tǒng)按ID號(hào)給任務(wù)分配名稱為\"ID：xxx\"）

Task_Create（SecondTask，60，2，\"Second Task\"）； //SecondTask任務(wù)建立，重裝載時(shí)間60ms，優(yōu)先級(jí)2，名稱\"Second Task\"

}

上面的例子里，在系統(tǒng)上電時(shí)通過SysConfig_Ini函數(shù)配置向系統(tǒng)提交了10個(gè)常用任務(wù)，系統(tǒng)為每個(gè)任務(wù)分配了一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘管理，通過時(shí)鐘及任務(wù)優(yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)各任務(wù)的運(yùn)行。經(jīng)過電腦仿真，效果如圖7，說明該系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)的效果能夠達(dá)到預(yù)期要求，可以用于工業(yè)產(chǎn)品安全功能設(shè)計(jì)。

圖7

參考文獻(xiàn)：

[1]Halbleiterspeicher-Testfolgen.Th.John，E.Schaefer，Elektronipraxis，H.6，18-26 and H.7，10-14，1980.

[2]Signaturanalyse in der Datenverarbeitung.D.Leisengang，M，Wagner，Elektronik 32，H.21，S.67-72，1983.

[3]安全技術(shù)中的微機(jī)——面向開發(fā)者和生產(chǎn)者的一種工具.H.Holscher，J.Rader，Verlag TUV Rheinland，Koln，1986，ISBN 3-88585-315-9.

[4]計(jì)算機(jī)現(xiàn)在已能安全地執(zhí)行關(guān)鍵的安全功能.Otto Berg von Linde，Railway Gazette international，Vol.135，No.11，1979.

[5]嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社.

作者簡(jiǎn)介：石磊（1981.5-），男，重慶人，中級(jí)，碩士，研究方向：自動(dòng)化儀器儀表開發(fā)及軟件工程應(yīng)用。