朱德良，吳國(guó)強(qiáng)，陳新春

（中電裝備山東電子有限公司，濟(jì)南 250101）

在以51系列單片機(jī)為內(nèi)核的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中經(jīng)常使用簡(jiǎn)單的前后臺(tái)系統(tǒng)，在超級(jí)循環(huán)中依照一定次序進(jìn)行任務(wù)調(diào)用，而實(shí)時(shí)任務(wù)利用中斷進(jìn)行處理，這樣做的好處是處理起來(lái)比較簡(jiǎn)單方便。但其缺點(diǎn)也很明顯，尤其是在智能電能表領(lǐng)域中，隨著用戶對(duì)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(shí)，任務(wù)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性往往難以保證，而且一旦面臨更換硬件平臺(tái)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理任務(wù)的調(diào)度是嵌入式應(yīng)用的一個(gè)重要趨勢(shì)，是單片機(jī)高水平應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)標(biāo)識(shí)[1-3]。

目前嵌入式實(shí)時(shí)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(duì)于8位的51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)太過(guò)奢侈[4]；文獻(xiàn)[5]在時(shí)間觸發(fā)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(gè)任務(wù)之間進(jìn)行切換，得到了較好的效果；文獻(xiàn)[6]則對(duì)常用的RTX51實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了搶占任務(wù)實(shí)時(shí)處理的重要性。

本文在時(shí)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(duì)單片機(jī)中多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了具體方法，提高了對(duì)搶占任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，并將其成功應(yīng)用在智能電表中，證明了可行性，且對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和移植工作提供了方便。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，時(shí)間觸發(fā)機(jī)制為各種任務(wù)提供了一個(gè)共享的定時(shí)器中斷，通過(guò)定時(shí)器形成對(duì)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(gè)任務(wù)在調(diào)用直到結(jié)束，因此是可預(yù)測(cè)的、可靠的，但對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，所以能夠?qū)ν獠渴录M(jìn)行快速的響應(yīng)，但如果多個(gè)中斷源隨機(jī)時(shí)間間隔中斷，則中斷響應(yīng)可能遺漏[1]。

本系統(tǒng)在時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加搶占的特性，對(duì)普通任務(wù)以時(shí)間觸發(fā)形式按照調(diào)度器周期按部就班的進(jìn)行調(diào)用；對(duì)緊急任務(wù)以搶占式系統(tǒng)進(jìn)行處理，滿足了緊急任務(wù)實(shí)時(shí)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(shí)

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

unsigned char ready；// 任務(wù)狀態(tài)

unsigned char period；// 時(shí)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(gè)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(duì)時(shí)間觸發(fā)的定時(shí)器進(jìn)行初始化工作，根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)定定時(shí)器的各個(gè)參數(shù)，利用定時(shí)器中斷形成時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度驅(qū)動(dòng)。

在8051系列的單片機(jī)中，可以使用定時(shí)器T0來(lái)完成此項(xiàng)工作，其具體初始化過(guò)程為

Initial_Timer0（）

{

1）清空任務(wù)序列

2）設(shè)置定時(shí)器時(shí)間間隔數(shù)值

3）使能定時(shí)器中斷

4）開啟定時(shí)器

}

其中，定時(shí)器時(shí)間間隔數(shù)值的設(shè)定比較重要，如果時(shí)間間隔設(shè)定的較長(zhǎng)，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間就會(huì)有影響，造成有的任務(wù)執(zhí)行延誤；如果時(shí)間間隔設(shè)置過(guò)短，反而會(huì)降低系統(tǒng)的執(zhí)行效率，因?yàn)檫^(guò)于頻繁的任務(wù)調(diào)度會(huì)消耗過(guò)多的系統(tǒng)資源。因此在設(shè)定時(shí)間間隔數(shù)值時(shí)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(guò)定時(shí)器的中斷服務(wù)程序?qū)θ蝿?wù)進(jìn)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(jìn)行處理的，所以在系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級(jí)，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(shí)間要盡可能的短。這樣，在調(diào)度器的每次刷新過(guò)程中都要檢測(cè)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(jí)，也就是延遲時(shí)間，如果到了0說(shuō)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(shí)器；

檢測(cè)是否有搶占任務(wù)要運(yùn)行；

檢測(cè)是否有普通任務(wù)要運(yùn)行，ready+1；

還沒有需要運(yùn)行的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)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(yùn)行初期將每個(gè)任務(wù)添加到任務(wù)隊(duì)列中，成功時(shí)返回值為新任務(wù)號(hào)task_ID，否則為出錯(cuò)信息。它有三個(gè)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(dá)到最大，將各個(gè)參數(shù)賦值給TASK結(jié)構(gòu)，則插入任務(wù)隊(duì)列尾，并返回task_ID；否則返回錯(cuò)誤（有全局變量task_Num來(lái)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(duì)列中刪除，以保證資源的有效利用。其過(guò)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(yùn)行的唯一函數(shù)，將其與刷新函數(shù)相分離是為了防止長(zhǎng)任務(wù)對(duì)系統(tǒng)的影響，其主要作用就是將已經(jīng)就緒的任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行。其過(guò)程為從任務(wù)隊(duì)列中取出就緒任務(wù) （TASK[i].ready＞0）進(jìn)行執(zhí)行，并將其中的優(yōu)先級(jí)恢復(fù)為設(shè)定的時(shí)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(jìn)行清理。

2 應(yīng)用

目前基于51系列內(nèi)核的單片機(jī)和soc芯片不計(jì)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(jìn)行移植。

智能電能表系統(tǒng)是一個(gè)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(jì)量芯片、蜂鳴器、ESAM模塊、載波模塊等，如圖2所示?；趥鹘y(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)中對(duì)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(yùn)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(jìn)行移植，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)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(gè)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(yǔ)

在嵌入式系統(tǒng)中使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理任務(wù)的調(diào)度是嵌入式應(yīng)用的一個(gè)重要趨勢(shì)，但大部分商業(yè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要很大的系統(tǒng)開銷，對(duì)51單片機(jī)來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)。本文在時(shí)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(duì)搶占任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，并將其成功應(yīng)用在智能電表中，證明了可行性，且對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和移植工作提供了方便。

[1] Michael J Pont.時(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

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

[3] 陳明計(jì)，周立功.嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19（7）：56-57.

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

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