一種單片機多任務(wù)操作系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

朱德良，吳國強，陳新春

（中電裝備山東電子有限公司，濟南 250101）

在以51系列單片機為內(nèi)核的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)過程中經(jīng)常使用簡單的前后臺系統(tǒng)，在超級循環(huán)中依照一定次序進行任務(wù)調(diào)用，而實時任務(wù)利用中斷進行處理，這樣做的好處是處理起來比較簡單方便。但其缺點也很明顯，尤其是在智能電能表領(lǐng)域中，隨著用戶對智能電表功能要求的不斷增加，需要處理的任務(wù)量不斷上升時，任務(wù)執(zhí)行的實時性往往難以保證，而且一旦面臨更換硬件平臺的情況，幾乎沒有移植性可言，需要重復(fù)較大的工作量。因此，在嵌入式系統(tǒng)中使用實時操作系統(tǒng)來管理任務(wù)的調(diào)度是嵌入式應(yīng)用的一個重要趨勢，是單片機高水平應(yīng)用開發(fā)的一個標(biāo)識[1-3]。

目前嵌入式實時操作系統(tǒng)有很多，如Vxworks、linux、μC/OSII等，但其系統(tǒng)本身就占用了大量的CPU資源，對于8位的51系列單片機來說太過奢侈[4]；文獻[5]在時間觸發(fā)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種多任務(wù)調(diào)度器，利用消息傳遞的方式使得控制器在多個任務(wù)之間進行切換，得到了較好的效果；文獻[6]則對常用的RTX51實時系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析，提出了搶占任務(wù)實時處理的重要性。

本文在時間觸發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了搶占式內(nèi)核的特性，對單片機中多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計提出了具體方法，提高了對搶占任務(wù)處理的實時性，并將其成功應(yīng)用在智能電表中，證明了可行性，且對系統(tǒng)的維護和移植工作提供了方便。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時，通常采用時間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種方式來實現(xiàn)[1]，時間觸發(fā)機制為各種任務(wù)提供了一個共享的定時器中斷，通過定時器形成對任務(wù)的周期性調(diào)度，完成任務(wù)之間的切換。這種系統(tǒng)在規(guī)定事件內(nèi)只有一個任務(wù)在調(diào)用直到結(jié)束，因此是可預(yù)測的、可靠的，但對外部緊急任務(wù)可能造成延誤；而事件觸發(fā)系統(tǒng)主要是依靠系統(tǒng)的中斷來實現(xiàn)，所以能夠?qū)ν獠渴录M行快速的響應(yīng)，但如果多個中斷源隨機時間間隔中斷，則中斷響應(yīng)可能遺漏[1]。

本系統(tǒng)在時間觸發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加搶占的特性，對普通任務(wù)以時間觸發(fā)形式按照調(diào)度器周期按部就班的進行調(diào)用；對緊急任務(wù)以搶占式系統(tǒng)進行處理，滿足了緊急任務(wù)實時性處理的要求。

1.1 任務(wù)結(jié)構(gòu)

任務(wù)的結(jié)構(gòu)如下組織，是任務(wù)中必要的信息，為了得到快速的存取速度，建議存放在DATA區(qū)中。

typedef struct

{

unsigned char realtask；//搶占任務(wù)標(biāo)識

unsigned char priority；//任務(wù)優(yōu)先級，以延時時間為衡量delay，deadline

unsigned char ready；// 任務(wù)狀態(tài)

unsigned char period；// 時間間隔

TASK（*p_task）（void）；// 任務(wù)指針}TASK[MAX_TASK]

MAX_TASK定義其大小，一般在10個以內(nèi)為佳。

1.2 調(diào)度初始化

在系統(tǒng)的初期，初始化調(diào)度器是必要的一步，其主要作用是對時間觸發(fā)的定時器進行初始化工作，根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)定定時器的各個參數(shù)，利用定時器中斷形成時間觸發(fā)的調(diào)度驅(qū)動。

在8051系列的單片機中，可以使用定時器T0來完成此項工作，其具體初始化過程為

Initial_Timer0（）

{

1）清空任務(wù)序列

2）設(shè)置定時器時間間隔數(shù)值

3）使能定時器中斷

4）開啟定時器

}

其中，定時器時間間隔數(shù)值的設(shè)定比較重要，如果時間間隔設(shè)定的較長，系統(tǒng)的反應(yīng)時間就會有影響，造成有的任務(wù)執(zhí)行延誤；如果時間間隔設(shè)置過短，反而會降低系統(tǒng)的執(zhí)行效率，因為過于頻繁的任務(wù)調(diào)度會消耗過多的系統(tǒng)資源。因此在設(shè)定時間間隔數(shù)值時應(yīng)謹(jǐn)慎考慮，建議在 （1～5）ms比較合適。

1.3 調(diào)度器的刷新（中斷服務(wù)程序ISR）

調(diào)度器的刷新任務(wù)主要是通過定時器的中斷服務(wù)程序?qū)θ蝿?wù)進行調(diào)度。本系統(tǒng)是允許有搶占式緊急任務(wù)和合作式任務(wù)共存的，搶占式任務(wù)是需要立刻進行處理的，所以在系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級，但是搶占式任務(wù)的出現(xiàn)打亂了普通任務(wù)的執(zhí)行，所以只有緊系事件才能設(shè)為搶占任務(wù)，而且處理時間要盡可能的短。這樣，在調(diào)度器的每次刷新過程中都要檢測是否有搶占式任務(wù)，如果有就直接執(zhí)行搶占任務(wù)；否則判斷各普通任務(wù)的優(yōu)先級，也就是延遲時間，如果到了0說明該任務(wù)已需執(zhí)行，則任務(wù)的狀態(tài)ready+1，交由調(diào)度函數(shù)去執(zhí)行。具體流程如圖1所示。

圖1 調(diào)度器的刷新流程圖Fig.1 Flow chart of scheduler updating

void update（void）interrupt2 using1

{

Reset定時器；

檢測是否有搶占任務(wù)要運行；

檢測是否有普通任務(wù)要運行，ready+1；

還沒有需要運行的任務(wù)，優(yōu)先級減1；

}

1.4 任務(wù)增加與刪除

任務(wù)的添加函數(shù)new_Task（）是在系統(tǒng)運行初期將每個任務(wù)添加到任務(wù)隊列中，成功時返回值為新任務(wù)號task_ID，否則為出錯信息。它有三個參數(shù)：分別是任務(wù)的函數(shù)指針；任務(wù)的周期；任務(wù)類型。如果任務(wù)現(xiàn)有任務(wù)量沒有達到最大，將各個參數(shù)賦值給TASK結(jié)構(gòu)，則插入任務(wù)隊列尾，并返回task_ID；否則返回錯誤（有全局變量task_Num來記錄當(dāng)前）。

相應(yīng)的，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后（不需要周期執(zhí)行的任務(wù)），可以將任務(wù)從任務(wù)隊列中刪除，以保證資源的有效利用。其過程與添加函數(shù)正好相反。

1.5 調(diào)度函數(shù)

調(diào)度函數(shù)是在主循環(huán)中運行的唯一函數(shù)，將其與刷新函數(shù)相分離是為了防止長任務(wù)對系統(tǒng)的影響，其主要作用就是將已經(jīng)就緒的任務(wù)進行執(zhí)行。其過程為從任務(wù)隊列中取出就緒任務(wù) （TASK[i].ready＞0）進行執(zhí)行，并將其中的優(yōu)先級恢復(fù)為設(shè)定的時間間隔period重新開始，如果此任務(wù)是一次性任務(wù)，則調(diào)用任務(wù)刪除函數(shù)進行清理。

2 應(yīng)用

目前基于51系列內(nèi)核的單片機和soc芯片不計其數(shù)，本文所描述的操作系統(tǒng)是業(yè)余標(biāo)準(zhǔn)的8051系列芯片，因此可以在任何基于8051系列芯片的嵌入式系統(tǒng)中進行移植。

智能電能表系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，它的MCU需要處理大量的內(nèi)部外部的任務(wù)和設(shè)備，其中主要任務(wù)有485通信、LCD液晶顯示、按鍵、讀寫E2PROM，紅外通訊，讀取計量芯片、蜂鳴器、ESAM模塊、載波模塊等，如圖2所示。基于傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)中對于其開發(fā)越發(fā)復(fù)雜，也更加不可控，而將本文所述的系統(tǒng)運用在其中，則有效地降低了開發(fā)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可控性和魯棒

性，并且可以在相同系列的系統(tǒng)中進行移植，大大節(jié)約了開發(fā)時間。其主程序可以描述為

void main（void）

{

1）初始化調(diào)度器；

2）初始化各個模塊信息；

3）調(diào)用任務(wù)添加函數(shù)將任務(wù)加載到任務(wù)序列；

while（1）

{

各任務(wù)調(diào)度函

}

}

圖2 智能電表系統(tǒng)任務(wù)示意圖Fig.2 Drawing of smart meter system tasks

3 結(jié)語

在嵌入式系統(tǒng)中使用實時操作系統(tǒng)來管理任務(wù)的調(diào)度是嵌入式應(yīng)用的一個重要趨勢，但大部分商業(yè)實時系統(tǒng)需要很大的系統(tǒng)開銷，對51單片機來說很難實現(xiàn)。本文在時間觸發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了搶占式內(nèi)核的特性，提高了對搶占任務(wù)處理的實時性，并將其成功應(yīng)用在智能電表中，證明了可行性，且對系統(tǒng)的維護和移植工作提供了方便。

[1] Michael J Pont.時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計模式[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 鄭宗漢.實時系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3] 陳明計，周立功.嵌入式實時操作系統(tǒng)SmallRTOS 51原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[4] 朱鳳新，姚竹亭.基于AVR的時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2006，19（7）：56-57.

[5] 李奇，樊曉平.一種時間觸發(fā)的多任務(wù)調(diào)度器設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（5）：17-19.

[6] 徐哲.論RTX51單片機實時操作系統(tǒng)[J].齊齊哈爾工程學(xué)院學(xué)報，2012，6（3）：22-24.