基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

張騰

摘 要 本文介紹了多任務(wù)操作系統(tǒng)如何進(jìn)行嵌入式的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，給出了進(jìn)行多任務(wù)操作的具體方法，并對(duì)該方法如何在與熱敏打印相關(guān)的軟件進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)行了介紹，通過多任務(wù)操作，嵌入式軟件提高了應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)了軟件的可移植性，提升了軟件的開發(fā)效率，縮短了軟件的開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞 嵌入式操作系統(tǒng) 熱敏打印 RTOS

中圖分類號(hào)：TP316.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)操作

嵌入式操作系統(tǒng) C/OS的應(yīng)用，可以解決熱敏打印的設(shè)計(jì)之中，CPU如何進(jìn)行多任務(wù)處理，解決加熱耗時(shí)的問題。完善 C/OS系統(tǒng)可以提升開發(fā)效率，增強(qiáng)軟件的實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)的多任務(wù)操作系統(tǒng)中，很大一部分為嵌入式操作系統(tǒng)，該種系統(tǒng)與傳統(tǒng)定義的操作系統(tǒng)有差異。常見的打印機(jī)數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)都是多任務(wù)的操作系統(tǒng)，通過多任務(wù)的方法可以方便軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)由于嵌入式系統(tǒng)也具備操作軟件的功能，因此在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候就可以在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行多任務(wù)程序的應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)可以對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的全部硬件和軟件資源進(jìn)行調(diào)度分配，同時(shí)還可以進(jìn)行并發(fā)工作，在滿足系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，通過拆裝某些模塊可以提升系統(tǒng)的性能，與常見的操作系統(tǒng)相比較，嵌入式系統(tǒng)具有如下不同點(diǎn)。

第一，嵌入式操作系統(tǒng)的移植性強(qiáng)，體積小，占用硬件資源少。第二，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，可以進(jìn)行卸載和裝載。第三，系統(tǒng)可以固化代碼，因而具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。雖然當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了個(gè)人開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，例如JEAN J. LABROSSE開發(fā)的 C/OS，但是當(dāng)前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是商業(yè)內(nèi)核的，常見的有PSOSystem、VxWorks和Nucleu等。本文所選用的嵌入式系統(tǒng)是 C/OS，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是完全公開的免費(fèi)內(nèi)核，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以在應(yīng)用該系統(tǒng)的過程中按照自己的需求對(duì)該內(nèi)核的內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展或壓縮，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用軟件的功能需求。 C/OS支持多功能的是實(shí)時(shí)內(nèi)核，可以進(jìn)行多任務(wù)操作，并且每個(gè)任務(wù)都有單獨(dú)的棧。該系統(tǒng)的服務(wù)內(nèi)容也比較多，例如內(nèi)存申請(qǐng)和釋放、消息列表、郵箱等，并且支持255層的嵌套中斷。由于該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，代碼簡(jiǎn)潔，近年來已經(jīng)在嵌入式操作系統(tǒng)當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2嵌入式操作系統(tǒng)佮進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)具體的操作要求設(shè)置操作步驟，可以提升軟件的實(shí)時(shí)性，強(qiáng)化軟件的可移植性，減少軟件開發(fā)時(shí)間。在進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要明確軟件設(shè)計(jì)的一般流程，由于應(yīng)用軟件在硬件之上，因此一致性比較差。在引入了嵌入式操作系統(tǒng)之后，由于應(yīng)用軟件的任務(wù)不能建立在硬件之上，因此應(yīng)用都是建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上。嵌入式操作系統(tǒng)在應(yīng)用軟件之中是一個(gè)指揮者的角色，同時(shí)該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)和硬件進(jìn)行連通，幫助各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，盡管CPU是按照順序進(jìn)行嵌入式操作的，但設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候還是需要?jiǎng)澐秩蝿?wù)，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的需求將操作系統(tǒng)初始化。

以 C/OS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在該系統(tǒng)上設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件首先需要根據(jù)系統(tǒng)的功能對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分，確定具體任務(wù)的個(gè)數(shù)，明確各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別，選擇信號(hào)和功能的時(shí)候需要注意任務(wù)之間的通訊。同時(shí)，需要根據(jù)程序的要求確認(rèn)各種任務(wù)所需要的堆棧的容量，關(guān)注代碼存儲(chǔ)機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)的容量，在應(yīng)用該系統(tǒng)，選擇該系統(tǒng)的操作模式的時(shí)候，還需要選擇儲(chǔ)存模式。最后，在軟件設(shè)計(jì)完成之后，需要根據(jù)任務(wù)程序設(shè)計(jì)代碼服務(wù)和中斷服務(wù)。下面介紹如何利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱敏打印機(jī)的應(yīng)用軟件。

3熱敏打印機(jī)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1熱敏打印機(jī)的功能

熱敏打印機(jī)屬于特殊的打印機(jī)，由于我國(guó)的生產(chǎn)工藝落后，微型打印機(jī)生產(chǎn)廠商會(huì)選擇國(guó)外進(jìn)口熱敏打印機(jī)的打印頭，配上自己設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制板組成熱敏打印機(jī)。打印機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)通常都是多任務(wù)的結(jié)構(gòu)，通過各種不同方法可以設(shè)置不同的任務(wù)階段，設(shè)置不同的程序，由于 C/OS系統(tǒng)是一種具備各種管理功能的系統(tǒng)，因此在程序設(shè)計(jì)的過程中可以直接在系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行挑選簡(jiǎn)化。本文所要介紹的熱敏打印機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用步驟的方法就是 C/OS系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程，在該系統(tǒng)中體現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)越性。在熱敏打印機(jī)實(shí)現(xiàn)功能的操作中，首先從上位機(jī)接受信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制打印機(jī)的打印頭進(jìn)行打印。打印機(jī)的處理過程中，CPU主要有如下幾個(gè)任務(wù)。

第一，接收上位機(jī)傳輸?shù)男畔?，并存?chǔ)信息至緩沖區(qū)域。第二，將緩沖的信息進(jìn)行讀取并處理，如果信息是命令則進(jìn)行操作，如果信息是字符，則轉(zhuǎn)化為點(diǎn)陣存儲(chǔ)在緩沖區(qū)。第三，將打印緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴☆^，控制打印機(jī)走紙，檢查打印機(jī)的狀態(tài)，預(yù)熱打印機(jī)。上述三個(gè)任務(wù)只是基本任務(wù)，除此之外上一級(jí)還需要根據(jù)不同任務(wù)，選擇其他功能，例如檢測(cè)打印頭是否過熱、打印壓桿是否下壓、檢查打印機(jī)是否缺紙。

3.2熱敏打印的軟件功能

熱敏打印機(jī)軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能可以粗略的概括為數(shù)據(jù)分析和打印控制，根據(jù)打印機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)流程，大致切換步驟主要有數(shù)據(jù)切換和信息收集兩個(gè)過程。完成打印功能分析之后，需要設(shè)計(jì)軟件功能，分別設(shè)計(jì)各個(gè)任務(wù)的流程。熱敏打印機(jī)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打印三個(gè)步驟。按照基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，需要將各流程按照順序連接起來，但熱敏打印機(jī)卻不適合這樣操作。由于熱敏打印機(jī)需要進(jìn)行加熱，在加熱的過程中，需要等待加熱完成，因此會(huì)有時(shí)間間隔。普通的字符點(diǎn)行有24個(gè)，每個(gè)都需要一定時(shí)間，這樣就拉長(zhǎng)了打印速度。同時(shí)熱敏打印機(jī)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求過高，如果系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢則會(huì)導(dǎo)致調(diào)度不合理，導(dǎo)致打印過程出現(xiàn)錯(cuò)亂。因此簡(jiǎn)單的進(jìn)行程序設(shè)計(jì)無法滿足應(yīng)用需求。

3.3 C/OS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

為了提升打印的效率，可以將打印流程拆分成幾個(gè)不同的任務(wù)，目的是為了適應(yīng)多任務(wù)的環(huán)境，讓處理器在多任務(wù)的情況下進(jìn)行調(diào)配，該設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師的技巧和經(jīng)驗(yàn)。程序需要進(jìn)行不斷切換，運(yùn)用何種程序需要不斷進(jìn)行考慮，因此軟件設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜，也會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)行不穩(wěn)定，因此引入 C/OS系統(tǒng)是一種高效的設(shè)計(jì)方法。

3.4通過 C/OS系統(tǒng)設(shè)計(jì)打印機(jī)軟件

由于打印機(jī)軟件是一種多任務(wù)的軟件，因此需要應(yīng)用多任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行的方法設(shè)計(jì)程序。 C/OS系統(tǒng)提供了各種多任務(wù)管理功能，依靠該系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可以滿足多任務(wù)的需要。如果把創(chuàng)建的多任務(wù)大致分為數(shù)據(jù)處理和打印，則根據(jù)打印機(jī)軟件的任務(wù)和打印流程，需要在如下任務(wù)之間進(jìn)行切換。

第一，從數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)入到打印流程，在該種模式下有兩種任務(wù)，首先在打印區(qū)緩沖完一個(gè)字符之后，需要啟動(dòng)打印程序，從數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)入到打印流程，第二，在數(shù)據(jù)處理的加熱過程中，如果響應(yīng)停止，則需要及時(shí)終止打印流程，數(shù)據(jù)處理流程和打印流程可進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖控制。

第二，切換到數(shù)據(jù)處理流程，該任務(wù)情況分成兩種任務(wù)，首先，在打印機(jī)進(jìn)行加熱的過程中，需要啟動(dòng)定時(shí)裝置，利用加熱的空閑時(shí)間處理數(shù)據(jù)，當(dāng)加熱時(shí)間完成之后，從新進(jìn)入到打印流程。其次，如果打印的緩沖還沒有滿足一個(gè)字符的最低要求，可以不進(jìn)行打印機(jī)的加熱，還是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從打印流程進(jìn)入數(shù)據(jù)處理流程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接受和處理。打印機(jī)處于閑置狀態(tài)的時(shí)候，程序需要等待上位機(jī)的通知。同時(shí)，系統(tǒng)如果需要從上位機(jī)取得數(shù)據(jù)，則還需要一個(gè)中斷流程，便于進(jìn)行后續(xù)操作。如果外部突發(fā)緊急情況，也需要中斷流程。

總之，如下三個(gè)任務(wù)是必須進(jìn)行的。任務(wù)一，處理打印產(chǎn)生的緩沖數(shù)據(jù)，對(duì)上位機(jī)傳來的任務(wù)進(jìn)行解讀。任務(wù)二，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗崦舸蛴☆^，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，方便打印頭隨時(shí)處理數(shù)據(jù)。任務(wù)三，如果發(fā)生了異常處理任務(wù)，例如打印頭過熱，則需要及時(shí)運(yùn)行中斷任務(wù)。

在任務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別是不同的，第三個(gè)任務(wù)最優(yōu)先，如果出現(xiàn)了異常情況，則需要將任務(wù)中斷。通常，任務(wù)三一直處于等待狀態(tài)。任務(wù)二比任務(wù)一有難度，如果打印緩沖區(qū)有一個(gè)字符，則需要優(yōu)先執(zhí)行任務(wù)二，在執(zhí)行任務(wù)二進(jìn)行打印機(jī)加熱的過程中，需要啟動(dòng)定時(shí)器，中斷任務(wù)二，此時(shí)任務(wù)二處于等待狀態(tài)。如果任務(wù)二中斷，則 C/OS系統(tǒng)會(huì)調(diào)整任務(wù)一進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和接受。如果加熱過程中，服務(wù)器收到信號(hào)，表明任務(wù)二可以進(jìn)行運(yùn)行，則此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行任務(wù)二。如果任務(wù)二運(yùn)行，則是因?yàn)榇蛴【彌_區(qū)的數(shù)據(jù)不滿一個(gè)字符，如果任務(wù)一運(yùn)行，則是沒有異常發(fā)生，同時(shí)任務(wù)二在等待，此時(shí)任務(wù)一處理數(shù)據(jù)。

需要關(guān)注的是，如果任務(wù)二處于運(yùn)行狀態(tài)，則如果任務(wù)二中斷，就意味著任務(wù)二和任務(wù)三同時(shí)中斷，中斷任務(wù)二所產(chǎn)生的一系列效果，意味著控制電機(jī)中斷，同時(shí)控制加熱時(shí)間。加熱時(shí)間由于是基礎(chǔ)加熱時(shí)間，一個(gè)一定時(shí)間中斷，另一個(gè)進(jìn)行補(bǔ)償。基準(zhǔn)加熱時(shí)間是加熱的最短時(shí)間，大約三微秒，在 C/OS系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)切換中完成，之后執(zhí)行其他任務(wù)。基準(zhǔn)加熱完成之后，由于打印頭的情況不同，會(huì)接著進(jìn)行補(bǔ)償加熱，補(bǔ)償加熱的時(shí)間各有不同，因任務(wù)而異。通常補(bǔ)償加熱之后會(huì)進(jìn)行下一點(diǎn)的加熱，過程和程序都和之前的過程相同。加熱頭的加熱可以設(shè)置成一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)，如果任務(wù)二執(zhí)行完畢，則可以切換到其他任務(wù)，由于加熱過程比較復(fù)雜，需要進(jìn)行經(jīng)常切換，雖然浪費(fèi)時(shí)間，但是并不加重系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，由于兩個(gè)任務(wù)和過程聯(lián)系密切，因此將其加入任務(wù)二較為合理。

進(jìn)行完各種程序的中斷編程之后，可以建立打印作業(yè)工程的程序。第一，將出程序相關(guān)的硬件初始化，對(duì) C/OS系統(tǒng)進(jìn)行重新定義，接著需要對(duì)各種程序進(jìn)行激活，最后啟動(dòng)多任務(wù)操作。需要關(guān)注的是，由于嵌入式系統(tǒng)控制軟件的要求較高，在工程設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)硬件來對(duì)軟件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，如果嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)一定損耗，因此在設(shè)計(jì)程序的過程中就應(yīng)當(dāng)考慮到系統(tǒng)損耗的問題。在程序設(shè)計(jì)的過程中，需要利用 C/OS系統(tǒng)對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)控制，除了中斷堆棧的任務(wù)之外，任何任務(wù)都有自己的堆棧，如果任務(wù)發(fā)生了中斷，則各個(gè)堆棧都會(huì)保存各自的值。由于參數(shù)的傳遞也會(huì)產(chǎn)生布局堆棧，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要根據(jù)任務(wù)情況，在滿足實(shí)際需求之后，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大堆棧。如果資源比較緊張，則在調(diào)試的過程中，就應(yīng)當(dāng)嘗試縮小堆棧的容量。同時(shí)考慮到熱敏打印機(jī)的字庫(kù)因素，適合選用大存儲(chǔ)的方法。

4結(jié)論

嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過系統(tǒng)之中應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，可以對(duì)系統(tǒng)的功能和體積進(jìn)行編排。由于 C/OS系統(tǒng)具有可靠、成本低、體積小和功耗低的特點(diǎn)，因此經(jīng)常被熱敏電機(jī)所選用。嵌入式操作系統(tǒng) C/OS的引入，可以解決熱敏打印機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，CPU打印頭加熱出現(xiàn)空閑的情況，提升系統(tǒng)的實(shí)用性能。由于使用了 C/OS系統(tǒng)之后，可以提供給用戶完善的管理功能，同時(shí)可以節(jié)省軟件開發(fā)時(shí)間，提升軟件開發(fā)的效果，強(qiáng)化軟件的可用性。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化，就需要提升系統(tǒng)的可移植性和可讀性。

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