利用實時內(nèi)核開發(fā)嵌入式多任務(wù)程序
關(guān)鍵詞：實時內(nèi)核 多任務(wù) 任務(wù)構(gòu)造 嵌入式系統(tǒng)
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛使用，傳統(tǒng)的前臺/后臺程序開發(fā)機制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜和多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，因而常常采用嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核（簡稱實時內(nèi)核）開發(fā)實時多任務(wù)程序。嵌入式實時內(nèi)核提供多任務(wù)、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信和同步、內(nèi)存管理等重要服務(wù)，使嵌入式應(yīng)用程序容易設(shè)計和擴展。內(nèi)核是管理微處理器或者微控制器時間的軟件，確保所有時間關(guān)鍵的事件盡可能高效地得到處理；允許將系統(tǒng)分成多個獨立的任務(wù)，每個任務(wù)處理程序的一部分，從而簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程。
一、非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核
實時內(nèi)核分為兩種：非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核。這兩種內(nèi)核都由中斷服務(wù)例程（ISR）處理異步事件。在非搶占式內(nèi)核中，一個ISR使優(yōu)先級更高的任務(wù)就緒，并不立即將CPU控制權(quán)交給優(yōu)先級高的任務(wù)，而是返回到被中斷的當前任務(wù)。只有當前任務(wù)執(zhí)行某種操作明確放棄CPU時，優(yōu)先級高的新任務(wù)才得到CPU控制權(quán)。非搶占式內(nèi)核對實時事件的響應(yīng)時間不確定，因而極少在實時應(yīng)用中使用。圖1所示為非搶占式內(nèi)核程序流程：①低優(yōu)先級任務(wù)（LPT）執(zhí)行；②低優(yōu)先級任務(wù)被中斷；③執(zhí)行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級任務(wù)（HPT）就緒；
④中斷服務(wù)例程返回到被中斷的低優(yōu)先級任務(wù)；⑤低優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行；⑥低優(yōu)先級任務(wù)放棄CPU；⑦高優(yōu)先級任務(wù)運行。
目前在大多數(shù)嵌入式實時多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用中，對系統(tǒng)實時響應(yīng)要求很高，因此采用搶占式內(nèi)核確保時間關(guān)鍵的任務(wù)最先執(zhí)行，使優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)總是最先得到CPU控制權(quán)。優(yōu)先級低的當前任務(wù)能夠被優(yōu)先級更高的任務(wù)搶占，暫時掛起執(zhí)行，將CPU控制權(quán)交給優(yōu)先級高的任務(wù)。圖2所示為搶占式內(nèi)核程序流程：①低優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行；②異步事件使任務(wù)中斷；③響應(yīng)異步事件，運行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級任務(wù)就緒；④中斷服務(wù)例程返回到高優(yōu)先級任務(wù)；⑤高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行，直到它被中斷轉(zhuǎn)向執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)；⑥高優(yōu)先級任務(wù)結(jié)束，內(nèi)核切換到低優(yōu)先級任務(wù)；⑦低優(yōu)先級任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
二、多任務(wù)
利用實時內(nèi)核開發(fā)嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)程序，要根據(jù)明確的設(shè)計目的確認系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)功能合理分解，構(gòu)造不同的任務(wù)，使每個任務(wù)負責完成應(yīng)用要求的一部分功能；并根據(jù)任務(wù)相對于其他任務(wù)的重要性決定其優(yōu)先級。多個任務(wù)彼此獨立運行，具有獨立的私有堆棧空間，在被其他進程搶占時能夠保持任務(wù)執(zhí)行線程的上下文。
1.任務(wù)
任務(wù)是單線程序列指令形成的一個無限循環(huán)，在系統(tǒng)程序中用函數(shù)表示（如下）。任務(wù)執(zhí)行時要調(diào)用內(nèi)核提供的服務(wù)，以等待某個事件發(fā)生。事件可以是定時間，或者是另一個任務(wù)、一個中斷服務(wù)例程發(fā)出事件通知。
Void Task (void)
{
While (true) {
Run Application-specific codes;
Wait for event by calling a service provided by the kernel;
Run Application - specific codes;
}
}
2.任務(wù)管理
每個任務(wù)有5種狀態(tài)；休眠、就緒、運行、等待、中斷。圖3所示為任務(wù)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準備執(zhí)行，優(yōu)先級低于當前執(zhí)行的任務(wù)，沒有得到CPU控制權(quán)；任務(wù)得到CPU控制權(quán)后就處于運行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務(wù)處于等待狀態(tài)，事件可以是I/O操作完成、
共享資源可以利用、時鐘脈沖發(fā)生等；任務(wù)執(zhí)行過程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。
實時內(nèi)核通過任務(wù)控制塊（TCB）管理任務(wù)。TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括任務(wù)的狀態(tài)、優(yōu)先、指向任務(wù)棧頂?shù)闹羔槨⒁约捌渌c內(nèi)核有關(guān)的信息。程序調(diào)用內(nèi)核服務(wù)（如調(diào)用內(nèi)核函數(shù)OSTaskCreate）創(chuàng)建任務(wù)，為此任務(wù)在內(nèi)存中分配一個TCB、進行初始化，使任務(wù)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變到就緒狀態(tài)。任務(wù)可以在多任務(wù)執(zhí)行之前靜態(tài)創(chuàng)建，也可以在多任務(wù)執(zhí)行過程動態(tài)創(chuàng)建。
內(nèi)核為實時多任務(wù)應(yīng)用程序提供任務(wù)調(diào)度和轉(zhuǎn)換、任務(wù)間通信、定時順等服務(wù)，并作為系統(tǒng)調(diào)用提供給任務(wù)使用。實時內(nèi)核以事件為基礎(chǔ)、根據(jù)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)對任務(wù)進行切換，任務(wù)的狀態(tài)也隨之相應(yīng)改變。在實時多任務(wù)程序中，內(nèi)存中存在多個任務(wù)控制塊以及各個任務(wù)獨立的私有堆棧。進行任務(wù)切換首先要保存CPU寄存器內(nèi)容到當前任務(wù)堆棧，將堆棧指針保存到當前任務(wù)的TCB中，然后從新任務(wù)的TCB中裝載堆棧指針，并將新任務(wù)上下文裝載到CPU寄存器中。這樣就從一個任務(wù)轉(zhuǎn)換到另一個任務(wù)運行。任務(wù)使用這時內(nèi)核提供的定時器系統(tǒng)調(diào)用，可以保持休眠狀態(tài)一段時間，或者等待一段時間后成為就緒狀態(tài)。在實時嵌入式系統(tǒng)中，外部中斷事件產(chǎn)生的任務(wù)具有高優(yōu)先級，因而以搶占方式獲得CPU控制權(quán)。
三、任務(wù)構(gòu)造
1.I/O任務(wù)構(gòu)造
根據(jù)3種不同的I/O事件；中斷驅(qū)動事件、輪詢事件、輸出事件來構(gòu)造I/O任務(wù)。輪詢事件通常由1個任務(wù)實現(xiàn)，實時內(nèi)核以固定周期對此任務(wù)進行調(diào)度，輸出事件常被設(shè)計為可重入程序而不是任務(wù)；中斷驅(qū)動事件是一類典型的異步事件。
下面將以1個簡單的串行設(shè)備驅(qū)動程序來說明I/O分解，突出I/O任務(wù)構(gòu)造的重要特征。此設(shè)備分配得到1個中斷向量，在3種情況下產(chǎn)生中斷：接收到字符、輸出就緒、設(shè)備出錯。因為采用搶占式內(nèi)核，在I/O中斷發(fā)生進入中斷處理例程以后，程序要保存處理器狀態(tài)，并根據(jù)不同的中斷原因進行任務(wù)調(diào)度；在中斷處理完成退出中斷處理例程之前，還要恢復(fù)處理器狀態(tài)。
設(shè)備中斷處理：
IF 接收到字符THEN
將字符放入字符接收隊列；
執(zhí)行接收任務(wù)；
IF 輸出就緒 THEN
IF 繼續(xù)輸出 THEN
送下一個字符；
ELSE
保存"設(shè)備輸出就緒"情況；
IF 設(shè)備出錯 THEN
將錯誤狀態(tài)放入錯誤隊列；
執(zhí)行出錯處理任務(wù)；
接收任務(wù)：
Void Task_receive()
{
While (true){
Wait on input char queue;
If end of input string then
Process input string;
Else
Save input;
}
}
對于中斷事件要合理劃分事件的處理級別，盡可能多地在任務(wù)級處理，從而最小化系統(tǒng)中斷延遲。對這個串行設(shè)備驅(qū)動中斷的處理就是一個劃分事件到中斷級和任務(wù)級處理的例子。中斷服務(wù)例程及時響應(yīng)實時中斷，將實時要求相對低一些的事件（如字符出錯、出錯狀態(tài)處理）交給不同的任務(wù)處理。隊列是內(nèi)核提供的一種任務(wù)間通信結(jié)構(gòu)，支持消息發(fā)送者和接收者異步訪問。在這里用于驅(qū)動程序和任務(wù)之間的通信，為驅(qū)動程序進程和任務(wù)進程提供消息緩沖。設(shè)備驅(qū)動程序負責及時響應(yīng)中斷事件，并不關(guān)心接收任務(wù)的狀態(tài)。為了簡化接收任務(wù)的結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)延遲，這里將出錯處理劃分為獨立的任務(wù)，分配不同的優(yōu)先級。
2.內(nèi)部任務(wù)構(gòu)造
系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)可以分為：①周期性任務(wù)--實時內(nèi)核基于固定周期調(diào)度的任務(wù)；②異步任務(wù)--非周期或事件驅(qū)動的任務(wù)，內(nèi)核根據(jù)需要進行調(diào)度，用于處理系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的事件；③控制對象--為狀態(tài)機創(chuàng)建的控制任務(wù)，用于實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換；④用戶接口⑤--對應(yīng)于用戶任務(wù)，在用戶驅(qū)動的系統(tǒng)中，用戶任務(wù)是具有高優(yōu)先級。
在嵌入式實時多任務(wù)系統(tǒng)中，大部分任務(wù)是非周期或事件驅(qū)動的異步任務(wù)，其函數(shù)形式如下：
Void Task_aperiodic ()
{
While (true){
Wait on an async data structure;
Process input;
Process output;
}
}
在異步任務(wù)中，驅(qū)動任務(wù)的異步數(shù)據(jù)是由實時內(nèi)核提供的任務(wù)間通信數(shù)據(jù)。內(nèi)核為應(yīng)用程序提供信號量、消息隊列、消息郵箱、插口或管道等結(jié)構(gòu)，進行事件管理和任務(wù)間通信。設(shè)計這些異步任務(wù)時采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、正確定義數(shù)據(jù)能夠節(jié)省寶貴的調(diào)試時間，而且任務(wù)處理的函數(shù)不能太多，過于復(fù)雜，否則會增加調(diào)試的難度。
3.任務(wù)合并
利用任務(wù)的共同特征進行適當?shù)娜蝿?wù)合并，可以簡化系統(tǒng)任務(wù)模型、減小系統(tǒng)復(fù)雜度、消除某些任務(wù)的切換開銷從而減少系統(tǒng)總體開銷。任務(wù)合并可分為：①根據(jù)時間一致合并，將同一事件激活的優(yōu)先級相同的函數(shù)合并在1個任務(wù)中；②根據(jù)控制一致合并，③根據(jù)函數(shù)一致合并，將幾個使用相同數(shù)據(jù)的函數(shù)合并，使原來共享的數(shù)據(jù)成為任務(wù)內(nèi)的局部數(shù)據(jù)，從而減少互斥。
結(jié)束語
目前有許多廠商提供面向嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的實時操作系統(tǒng)（RTOS），提供實時內(nèi)核、輸入/輸出管理器、窗口系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、語言接口庫、調(diào)試器和交叉平臺編譯器的軟件包。其中實時內(nèi)核為嵌入式多任務(wù)程序提供最基本和最重要的功能。本文從利用實時內(nèi)核開發(fā)多任務(wù)應(yīng)用程序的角度，對實時內(nèi)核和任務(wù)進行介紹，提出合理構(gòu)造任務(wù)的方法?？梢钥吹剑脤崟r內(nèi)核提供的服務(wù)，采用正確的開發(fā)方法，可以增加嵌入式實時多任務(wù)系統(tǒng)的功能，降低開發(fā)方法，可以增加嵌入式實時多任務(wù)系統(tǒng)的功能，降低開發(fā)難度。
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