傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設計大多采用單任務順序機制，應用程序是一個無限的大循環(huán)，所有的事件都按順序執(zhí)行，與時間相關性較強的事件靠定時中斷來保證，由此帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性較差;尤其當系統(tǒng)功能較復雜，且對實時性要求較嚴格時，這種單任務機制的弱點暴露無遺。本文引入的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS- II是一個多任務的實時內核，主要提供任務管理功能。在實時系統(tǒng)中的多個任務，必須決定這些任務的優(yōu)先級順序，任務調度算法需要動態(tài)為就緒任務的優(yōu)先級排序。為了滿足對實時性要求越來越高的需要，同時避免頻繁改變就緒任務的優(yōu)先級，在分析μC/OS-II源代碼的基礎上，對其調度算法進行改進。

1 μC/OS-II概述

μC/OS-II是一個完整的，可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核;支持56個用戶任務，支持信號量、郵箱、消息隊列等常用的進程間通信機制;適用于各種微控制器和微處理器;所有代碼用ANSI C語言編寫，程序的可讀性強，具有良好的可移植性，已被移植到多種處理器架構中，在某些實時性要求嚴格的領域中得到廣泛應用。

1.1 工作原理

μC/OS-II的核心工作原理是：近似地讓最高優(yōu)先級的就緒任務處于運行狀態(tài)。首先初始化MCU，再進行操作系統(tǒng)初始化，主要完成任務控制塊 TCB初始化，TCB優(yōu)先級表初始化，TCB鏈表初始化，事件控制塊(ECB)鏈表初始化，空任務的創(chuàng)建等。然后，開始創(chuàng)建新任務，并可在新創(chuàng)建的任務中再創(chuàng)建其他新任務。最后，訶用OSStart()函數啟動多任務調度。在多任務調度開始后，啟動時鐘節(jié)拍源開始計時，此節(jié)拍源給系統(tǒng)提供周期性的時鐘中斷信號，實現延時和超時確認。

1.2 任務調度

操作系統(tǒng)在下面的情況下進行任務調度：中斷(系統(tǒng)占用的時間片中斷OSTimeTick()、用戶使用的中斷)和調用API函數(用戶主動調用)。一種是當時鐘中斷來臨時，系統(tǒng)把當前正在執(zhí)行的任務掛起，保護現場，進行中斷處理，判斷有無任務延時到期;若沒有別的任務進入就緒態(tài)，則恢復現場繼續(xù)執(zhí)行原任務。另一種調度方式是任務級的調度，即調用API函數(由用戶主動調用)，足通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器在任務執(zhí)行中調度。當沒有任何任務進入就緒態(tài)時，就去執(zhí)行空任務。

2 調度算法的改進

2.1 實時系統(tǒng)的調度策略

在操作系統(tǒng)的多任務調度算法的設計上，要根據系統(tǒng)的具體需求來確定調度策略。實時調度策略按不同的方法可以分為：靜態(tài)/動態(tài)，基于優(yōu)先級/不基于優(yōu)先級，搶占式/非搶占式，單處理器/多處理器。其中，靜態(tài)是指在任務的整個生命期內優(yōu)先級保持不變，任務的優(yōu)先級是在系統(tǒng)建立任務時確定的;動態(tài)是指在任務的生命期內，隨時確定或改變它的優(yōu)先級別，以適應系統(tǒng)工作環(huán)境和條件的變化。

μC/OS-II系統(tǒng)采用的是靜態(tài)優(yōu)先級分配策略，由用戶來為每個任務指定優(yōu)先級。雖然任務的優(yōu)先級可通過 OSTaskChangePrio()函數改變，但函數功能簡單，僅以用戶指定的新優(yōu)先級來替換任務當前的優(yōu)先級。隨著實時嵌入式技術的發(fā)展，對嵌入式系統(tǒng)的實時性要求越來越高，多樣化的調度方法己成為一種趨勢。本文討論動態(tài)優(yōu)先級調度中的最優(yōu)算法截止期最早優(yōu)先算法的改進及其在μC/OS-II中的實現。

2.2 調度算法的改進

截止期最早優(yōu)先算法是動態(tài)優(yōu)先級調度算法中的最優(yōu)算法。在截止期最早優(yōu)先算法中，系統(tǒng)按任務的截止期給每個任務分配優(yōu)先級。任務的截止期越早其優(yōu)先級越高，反之亦然。為此，在本文所述截止期最早優(yōu)先算法的改進中.需在μC/OS-II系統(tǒng)中增加表l所列的項目。

在截止期最早優(yōu)先算法中，需要用戶為任務指定其截止期。在本改進中，將OSTaskCreate()和OSTaskCreateExt()中的參數INT8U Prio改為INT8U deadline，并在函數內定義局部變量INT8U Prio來記錄分配給任務的優(yōu)先級。該算法改進也要在系統(tǒng)中增加OSTaskPrioCreate()函數，函數優(yōu)先級分配的方法是按任務的截止期分配。該模塊流程如圖l所示。

在對就緒任務優(yōu)先級進行調整時，該模塊首先在數組中對任務的優(yōu)先級完成調整并記錄任務優(yōu)先級的調整情況。在執(zhí)行此函數后，就緒任務隊列中任務的優(yōu)先級可能會改變，園此還需要在μC/OS-II系統(tǒng)中添加prio_adjust()函數。該函數應用μC/OS-II系統(tǒng)原有的函數 OSTaskChangePrio()來更新就緒任務，代碼如下：

為防止多個任務同時調用OSTaskPrioCreate()函數造成混亂，這段代碼應按臨界資源來處理，需要在調用前關中斷，調用后再開中斷。

3 應用及評價

3.1 系統(tǒng)結構

在液壓測量控制HPMC模塊中，系統(tǒng)要求在18ms內完成對7個位置的傳感器和用戶鍵盤數據的實時采集、處理及顯示;且對于采集到的不同測量數據，要求系統(tǒng)根據任務的緊迫程度，作出優(yōu)先級不同的實時響應。

系統(tǒng)的結構如圖2所示。由外向內分為3層：硬件電路層、任務層和操作系統(tǒng)層。

硬件電路層主要包括HPMC模塊、用戶操作、單片機控制模塊。大致功能如下：HPMC模塊主要完成傳感器數據的實時采集;用戶模塊主要完成用戶的操作;單片機控制模塊用于控制數據的接收、處理、發(fā)送、短消息的收發(fā)等。

任務層并行存在lO個任務，每個任務均由以下3部分組成：應用程序、任務堆棧以及任務控制塊，主要完成任務優(yōu)先權的動態(tài)設置以及任務狀態(tài)的轉換。

操作系統(tǒng)層的設計主要是將μC/OS-II移植到單片機上。本系統(tǒng)采用Atmel公司的MCS-5l系列兼容單片機，同時完成各個任務的具體編程。[!--empirenews.page--]

3.2 算法評估

選擇用動態(tài)調度還是靜態(tài)調度是很重要的，這會對系統(tǒng)產生深遠的影響。靜態(tài)調度對時間觸發(fā)系統(tǒng)的設計很適合，而動態(tài)調度對事件觸發(fā)系統(tǒng)的設計很適合。靜態(tài)調度必須事先仔細設計，并要花很大的力氣考慮選擇各種各樣的參數;動態(tài)調度不要求事先作多少工作，而是在執(zhí)行期間動態(tài)地作出決定。

在HPMC模塊中，由于需對現場采集到的測量數據進行實時處理，故對系統(tǒng)的實時性提出了很高的要求。若采用μC/OS-II的靜態(tài)優(yōu)先級調度算法，當系統(tǒng)中任務優(yōu)先級變化時則顯得無能為力;同時通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應用表明，改進后系統(tǒng)的實時性得到了極大改善。

結語

本文針對μC/OS-II靜態(tài)調度算法進行改進，在系統(tǒng)中實現了截止期優(yōu)先調度算法。通過在液壓測量控制系統(tǒng)中的應用，表明這種改進能明顯提高系統(tǒng)的實時性;但是改進后的算法對系統(tǒng)的內存、CPU等提出了更高的要求，存在一定的局限性。