提高RTOS穩(wěn)定可靠性，請看這幾個(gè)技巧！
[導(dǎo)讀]我們在編寫RTOS應(yīng)用程序的過程中，經(jīng)常會遇到這些困難，包括正確確定系統(tǒng)中有多少任務(wù)、如何設(shè)置優(yōu)先級、協(xié)調(diào)任務(wù)行為、避免常見陷阱，有時(shí)只是為了讓應(yīng)用程序正常工作，而忽略一些問題。如今，近三分之二的嵌入式系統(tǒng)使用RTOS，而且隨著系統(tǒng)的時(shí)序要求變得越來越復(fù)雜，這個(gè)數(shù)字只會隨著時(shí)間的...
我們在編寫RTOS應(yīng)用程序的過程中，經(jīng)常會遇到這些困難，包括正確確定系統(tǒng)中有多少任務(wù)、如何設(shè)置優(yōu)先級、協(xié)調(diào)任務(wù)行為、避免常見陷阱，有時(shí)只是為了讓應(yīng)用程序正常工作，而忽略一些問題。
如今，近三分之二的嵌入式系統(tǒng)使用 RTOS，而且隨著系統(tǒng)的時(shí)序要求變得越來越復(fù)雜，這個(gè)數(shù)字只會隨著時(shí)間的推移而增加。在今天的文章中，我們將研究設(shè)計(jì)基于 RTOS 的應(yīng)用程序的五個(gè)最佳實(shí)踐技巧。
任務(wù)分解首先我們可以遵循的第一個(gè)最佳實(shí)踐技巧就是使他們的 RTOS 應(yīng)用程序開發(fā)成功，是使用任務(wù)分解來獲得應(yīng)用程序中正確數(shù)量的任務(wù)。
有許多技術(shù)可用于分解任務(wù)，但我喜歡使用的一種對嵌入式開發(fā)人員很有效的方法是使用由外向內(nèi)（outside-in）的方法。在這種方法中，開發(fā)人員遵循七個(gè)簡單的步驟：
- 識別并列出主要的系統(tǒng)組件；
- 繪制高級框圖；
- 標(biāo)記系統(tǒng)輸入；
- 標(biāo)記輸出；
- 確定一級任務(wù)；
- 確定并發(fā)級別和依賴項(xiàng)；
- 確定第二層任務(wù)（應(yīng)用程序任務(wù)）；
在為恒溫器等物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行此過程時(shí)，最終可能會得到如下圖所示：
在這種情況下，系統(tǒng)通常有六個(gè)任務(wù)，其中一個(gè)任務(wù)監(jiān)督應(yīng)用程序代碼。（根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜性，可以進(jìn)一步分解此任務(wù)）。
選擇正確的調(diào)度算法來分配優(yōu)先級
我觀察到很多使用 RTOS 的開發(fā)人員從不花時(shí)間決定他們將如何安排他們的任務(wù)。他們通常假設(shè) RTOS 會為他們做這件事，并且他們的任務(wù)會根據(jù)提供他們選擇的任務(wù)優(yōu)先級成功運(yùn)行。
事實(shí)是，開發(fā)人員可以通過多種不同的方式來安排任務(wù)。
首先，開發(fā)人員可以使用任務(wù)響應(yīng)時(shí)間來調(diào)度任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間最短的任務(wù)應(yīng)該被分配最高優(yōu)先級。
其次，開發(fā)人員可以使用一個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間來調(diào)度任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，執(zhí)行時(shí)間最短的任務(wù)應(yīng)該被分配最高優(yōu)先級。
最后，開發(fā)人員可以使用任務(wù)周期來安排任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，周期最短的任務(wù)優(yōu)先級最高。
只有在您選擇了調(diào)度方法之后，您才能正確設(shè)置您的任務(wù)優(yōu)先級。（我看到很多開發(fā)人員只是猜測）。
使用 RMS 驗(yàn)證任務(wù)是否可調(diào)度
大多數(shù)使用 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)中使用的調(diào)度算法是基于周期的調(diào)度，也稱為速率單調(diào)調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling）。
多年來，人們對如何使用 RMS 正確安排任務(wù)進(jìn)行了大量研究。通常，RMS 附帶了開發(fā)人員需要牢記的幾個(gè)假設(shè)。
首先，RMS 假設(shè)任務(wù)是周期性的并且它們也是獨(dú)立的。這意味著，如果您有一個(gè)非周期性任務(wù)，在分析中我們會假設(shè)為它提供一些周期性時(shí)間。
接下來，RMS 假設(shè) RTOS 使用搶占式調(diào)度。它還假設(shè)所有任務(wù)都相等并且最壞情況的執(zhí)行時(shí)間是恒定的。
我經(jīng)常發(fā)現(xiàn) RMS 非常適合對我開發(fā)的 RTOS 應(yīng)用程序架構(gòu)是否有意義或者我是否在錯(cuò)誤的方向進(jìn)行完整性檢查。
例如，我可以假設(shè)具有以下任務(wù)的系統(tǒng)的行為方式并確定它是否可以成功調(diào)度其任務(wù)：
對于使用 RMS 的系統(tǒng)，對于具有無限數(shù)量任務(wù)的系統(tǒng)，所有這些任務(wù)的 CPU 使用率必須低于 69.3%。對于上述系統(tǒng)，我們可以看到總利用率為 52%，這意味著它們應(yīng)該是可調(diào)度的。
使用同步和數(shù)據(jù)流圖
在使用由外向內(nèi)（outside-in）的方法確定我在應(yīng)用程序中需要的所有任務(wù)后，我通常會創(chuàng)建一個(gè)同步和數(shù)據(jù)流圖。此圖的目的是：
- 映射系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的來源
- 映射數(shù)據(jù)如何從其源轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中的任務(wù)
- 映射如何存儲和訪問該數(shù)據(jù)
- 映射如何使用該數(shù)據(jù)來生成系統(tǒng)輸出
早些時(shí)候，我以連接互聯(lián)網(wǎng)的恒溫器為例。下面是我們可能為該應(yīng)用程序制作的數(shù)據(jù)流和同步圖。
如你所見，此圖不僅可以幫助我們了解數(shù)據(jù)如何在系統(tǒng)中移動，還可以幫助我們了解應(yīng)用程序中所需的 RTOS 組件，例如：
- 隊(duì)列
- 流緩沖區(qū)
- 信號量
- 互斥體
如果沒有這樣的圖表，開發(fā)團(tuán)隊(duì)必然會遇到開發(fā)和維護(hù)問題。
預(yù)先定義任務(wù)和消息界面接口
一旦創(chuàng)建了數(shù)據(jù)流圖，就很容易開始對應(yīng)用程序進(jìn)行編碼。
這無疑會在一段時(shí)間內(nèi)順利進(jìn)行，但我發(fā)現(xiàn)如果開發(fā)人員不花時(shí)間預(yù)先仔細(xì)定義任務(wù)和消息接口，它可能會導(dǎo)致返工。
雖然數(shù)據(jù)流圖通常顯示數(shù)據(jù)如何通過應(yīng)用程序傳播，但它并不一定要求定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
目標(biāo)是預(yù)先檢查每個(gè)消息隊(duì)列，然后為這些消息構(gòu)建結(jié)構(gòu)。這很重要，因?yàn)樗鼘⒍x消息的外觀，而且還將有助于任何底層模塊的接口的外觀。
例如，管理一系列閥門的任務(wù)可能需要包含以下內(nèi)容的消息：
- 閥門 ID
- 閥門狀態(tài)
- 閥門所需的時(shí)間
再說一次，它可能會期待：
- 定義閥門狀態(tài)的面罩
- 準(zhǔn)時(shí)清單
歸根結(jié)底，做事的方式總是不止一種，一種不一定比另一種更好。但是，在為支持任務(wù)執(zhí)行的其他模塊構(gòu)建接口時(shí)，了解正在傳遞的消息將有所幫助。
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都更多地用于開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。
我們在今天的文章中探討了幾個(gè)技巧，這些技巧不僅可以幫助讀者創(chuàng)建更清晰、更靈活的 RTOS 應(yīng)用程序，還可以幫助他們傳達(dá)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)意圖。希望這些技巧可以幫助你們快速開始應(yīng)用程序的開發(fā)。
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