一、             統(tǒng)概述

目前市場上的商用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，如Vxwork、PSOS和Windows CE等已經(jīng)十分成熟，提供有力的開發(fā)和調(diào)試工具，但開發(fā)成本昂貴，而uCOS-II是一種多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核源代碼公開，短小精干，移植性較強，非常適用于一些小型系統(tǒng)開發(fā)。本系統(tǒng)描述了如何將uCOS-II移植應(yīng)用到MCS51系列單片機上，并論述了如何把它實際應(yīng)用到“嵌入式設(shè)備—車載GPS”系統(tǒng)中。

1、  uCOS-II簡介

實時嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息隊列）和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語言寫成，與硬件相關(guān)部分用匯編語言編寫，而且它的源代碼是公開免費的。

uCOS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，包含全部功能模塊的內(nèi)核大約為10K，如果經(jīng)過裁減只保留核心代碼，則可壓縮到3K左右。RAM的占用量與系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)有關(guān)，任務(wù)的堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務(wù)的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套層數(shù)。應(yīng)用程序的時間精度由系統(tǒng)時鐘節(jié)拍決定，uCOS-II需要用戶提供周期性的時鐘信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認超時，一般時鐘節(jié)拍應(yīng)在10到100HZ之間（最大精度為10ms），因為uCOS-II在每一個節(jié)拍都要檢查有沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)在等待執(zhí)行，若有，就要進行任務(wù)切換，所以時鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負荷就越重。

2、系統(tǒng)的設(shè)計目標

本車載移動終端主要完成以下這些控制功能：

（1）位置及相關(guān)信息傳送，包括實時請求發(fā)送、等時間間隔發(fā)送、等距離發(fā)送，傳送方式包括GPRS方式和短信方式，由于用GPRS方式進行數(shù)據(jù)通訊按流量記費，每1K字節(jié)2-3分錢，費用相對短信低很多，因此本系統(tǒng)采用GPRS為主，短信為輔的通訊方式。

（2）報警功能，分以下幾部分：

A、特定區(qū)域報警功能：設(shè)定報警特定區(qū)域后（如控制中心規(guī)定的行駛?cè)蝿?wù)區(qū)域），當車輛駛出設(shè)定區(qū)域時，監(jiān)控中心向車載單元報警，并及時記錄車輛的實時位置信息。

B、緊急報警功能：當車輛遇到搶劫、交通事故等緊急情況時，司機可以通過緊急求救按鈕向控制中心發(fā)出求救信號，并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

C、防盜報警功能：當車輛設(shè)為防盜狀態(tài)時，任何對車輛的非法移動，車載單元會自動報警并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

D、掉電報警功能：當車載單元主電源掉電（或被人為切斷）時，車載單元會自動報警并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

E、能自動報警與手動報警相結(jié)合：系統(tǒng)支持手動的單鍵報警和智能設(shè)備產(chǎn)生的自動報警功能。單鍵人工報警需要司機進行快速隱蔽的單鍵操作快速報警。自動報警如智能非法移動報警，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報警信息并發(fā)送到監(jiān)控中心，并保存報警數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心的人員可以根據(jù)需要采取措施。

（3）電源監(jiān)控功能，實時監(jiān)控備用電源，如果發(fā)現(xiàn)電量不夠，將自動切換到充電模式，直到電量充足后自動切斷充電模式。

3、  系統(tǒng)的功能塊

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，有外向內(nèi)可分三層：硬件電路層、任務(wù)層、操作系統(tǒng)層。[!--empirenews.page--]

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、硬件電路層設(shè)計

本系統(tǒng)的移動終端主要包括以下四個部分組成：GPS模塊、GPRS模塊、手柄、單片機控制模塊，其大致功能分述如下：

（1）       GPS模塊——用于衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集，采集時間間隔可設(shè)定，最小間隔為1秒采集一次。

（2）       GPRS通信模塊——用于實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)、短信息收發(fā)和語音通話功能。

（3）       手柄——用于語音通話。

（4）       單片機控制模塊——用于控制GPS、GPRS模塊的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、語音通話控制、短信息收發(fā)、電源監(jiān)測管理和對汽車進行控油控電等功能。

三、任務(wù)層的設(shè)計

1、系統(tǒng)任務(wù)層組成及其優(yōu)先權(quán)設(shè)置

系統(tǒng)任務(wù)層并行存在以下六個任務(wù)：監(jiān)視任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、摘掛機任務(wù)、GPRS任務(wù)、短消息任務(wù)、串口接收任務(wù)。每個任務(wù)均有以下三部分組成：應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊。其中只有應(yīng)用程序被燒入ROM,而任務(wù)本身則被置于RAM，待系統(tǒng)運行時再建立。任務(wù)堆棧用以存儲CPU寄存器內(nèi)容。當某任務(wù)由運行態(tài)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)時，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應(yīng)任務(wù)堆棧，反之則將相應(yīng)任務(wù)堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器。作為系統(tǒng)中定義的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)控制塊的內(nèi)容包括任務(wù)堆棧的地址、任務(wù)當前狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先權(quán)等。操作系統(tǒng)通過查詢?nèi)蝿?wù)控制塊內(nèi)容實現(xiàn)對任務(wù)的管理。

優(yōu)先權(quán)的設(shè)置由各任務(wù)的執(zhí)行順序以及對系統(tǒng)安全性影響的大小決定，其優(yōu)先權(quán)從高到低依次為：監(jiān)視任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、摘掛機任務(wù)、GPRS任務(wù)、短消息任務(wù)、串口接收任務(wù)。本系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)設(shè)置，即運行過程中任務(wù)優(yōu)先權(quán)不變。

2、  任務(wù)的狀態(tài)

本系統(tǒng)中各任務(wù)的狀態(tài)有4種：等待態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)以及中斷態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。當一個任務(wù)占用CPU時該任務(wù)處于運行態(tài)，其優(yōu)先權(quán)必較所有就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)高。若系統(tǒng)運行導(dǎo)致就緒態(tài)某一任務(wù)的優(yōu)先權(quán)高于運行態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)，則調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運行態(tài)任務(wù)將喪失對CPU的占用權(quán)而轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運行態(tài)。某一時刻只能有一個任務(wù)處于運行態(tài)。任務(wù)在就緒態(tài)和運行態(tài)間的轉(zhuǎn)化被稱為任務(wù)切換。當運行態(tài)的任務(wù)期待某一消息時（即任務(wù)和任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞），該任務(wù)將喪失對CPU的占用權(quán)而轉(zhuǎn)為等待態(tài)，等待時間可由系統(tǒng)設(shè)定。若等待時間內(nèi)該任務(wù)收到消息，任務(wù)將轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，否則將被時間管理函數(shù)強行轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。中斷發(fā)生時運行態(tài)的任務(wù)將轉(zhuǎn)入中斷態(tài)，喪失對CPU的占用權(quán)。因中斷中可能有消息發(fā)送使等待態(tài)的任務(wù)轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，故中斷返回后將首先運行任務(wù)調(diào)度函數(shù)，決定任務(wù)狀態(tài)。[!--empirenews.page--]

四、軟件層設(shè)計

本系統(tǒng)選用μC/OS-II操作系統(tǒng)，將其移植到MCS51系列單片機上。系統(tǒng)采用的時鐘節(jié)拍為Tick=50次/秒(即0.02秒/次)，在main中創(chuàng)建所有任務(wù)和信號量、消息油箱、消息隊列等。

void main (void)

{
OSInit()；

//創(chuàng)建信號量、消息隊列；

HookSem = OSSemCreate(0); //喚醒摘掛機任務(wù)

GprsQ = OSQCreate(&GprsMsg[0],10);

SMsgQ = OSQCreate(&SMsg[0],5);

//創(chuàng)建內(nèi)存區(qū)域；

Mem20 = OSMemCreate(Part1,20,50,&err);

Mem50 = OSMemCreate(Part2,100,10,&err);

//任務(wù)創(chuàng)建；

OSTaskCreate(WatchDogTask,(void*)0,&WatchDogStk[0],2)； //監(jiān)視任務(wù)

OSTaskCreate((void*) KeyTask,(void*)0,&KeyTaskStk[0],3)； //按鍵處理任務(wù)

OSTaskCreate((void*)WriteTask,(void*)0,&WriteStk[0],4)； //摘掛機任務(wù)

OSTaskCreate((void*)GPRSTask,(void*)0,&GPRSStk[0],5)； //GPRS任務(wù)

OSTaskCreate((void*)SMsgTask,(void*)0,&SMsgStk[0],6)； //短信息任務(wù)

OSTaskCreate(ReadTask, (void *)0, &ReadStk[0],7)； //讀串口任務(wù)

OSStart()；

}

1、監(jiān)視任務(wù)

因本系統(tǒng)工作于干擾強烈的汽車環(huán)境中，雖已采取多種硬件抗干擾措施如加屏蔽罩、可靠接地、設(shè)置軟件陷阱等，仍有可能因瞬間擾動使系統(tǒng)陷入混亂，導(dǎo)致系統(tǒng)跑飛而只能依靠看門狗復(fù)位重新運行，以致無法實現(xiàn)設(shè)計目標。為此，本系統(tǒng)采用監(jiān)視任務(wù)監(jiān)督其它任務(wù)是否正常運行，若某一任務(wù)未能正常運行則采取相應(yīng)措施以盡量減少看門狗復(fù)位次數(shù)。

監(jiān)視任務(wù)設(shè)計思路為：被監(jiān)視任務(wù)正常運行時其執(zhí)行時間是可預(yù)估的，被監(jiān)視任務(wù)在其即將運行完畢時向監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息說明自身運行正常。被監(jiān)視任務(wù)運行時，監(jiān)視任務(wù)處于等待態(tài)，等待被監(jiān)視任務(wù)給它發(fā)送消息，等待時間被設(shè)定為預(yù)計的任務(wù)正常運行所需的最大時間。若等待時間內(nèi)監(jiān)視任務(wù)收到消息，則認為發(fā)送消息的任務(wù)運行正常，依照各任務(wù)執(zhí)行順序的先后下一任務(wù)開始運行，監(jiān)視任務(wù)等待下一任務(wù)發(fā)送的消息。若等待時間已過，監(jiān)視任務(wù)仍未收到消息，則系統(tǒng)的時間管理函數(shù)將強行把監(jiān)視任務(wù)視為就緒態(tài)。因監(jiān)視任務(wù)的優(yōu)先權(quán)是最高的，它將搶占對CPU的控制權(quán)并采取相應(yīng)的糾錯方案。

2、  按鍵處理任務(wù)

按鍵處理任務(wù)主要對防盜報警、搶車報警、打接電話按鈕進行處理，當任務(wù)循環(huán)檢測到按鍵按下時，按鍵處理任務(wù)發(fā)送相應(yīng)的信號量到處理相應(yīng)按鍵的程序中。[!--empirenews.page--]

3、  摘掛機任務(wù)

當拿起聽筒或放下聽筒時，就產(chǎn)生中斷。在中斷中，調(diào)用OSSemPost(HookSem)來喚醒摘/掛機任務(wù)，同時清除中斷標志。摘掛機任務(wù)調(diào)用OSSemPend(HookSem,0,&err)來獲得信號量。獲得信號量后，根椐摘掛機狀態(tài)標志來判斷是摘機還是掛機。在掛機的時候，如果先前是在響鈴的時候摘機的，那么摘掛機任務(wù)把它當做已接來電處理；如果不是在響鈴的時候摘機的，那么在掛機的時候摘掛機任務(wù)就把它當做已撥電話處理。

4、  GPRS任務(wù)

當讀串口任務(wù)接收到GPRS數(shù)據(jù)時，調(diào)用OSQPost(GprsQ,(void *)&Gprs_Buf[0])函數(shù)向來喚醒GPRS任務(wù)，GPRS任務(wù)不斷調(diào)用gprs_msg =OSQPend(GprsQ,50,&err)來獲得從讀串口任務(wù)中發(fā)來的GPRS數(shù)據(jù)，根據(jù)當前的狀態(tài)決定是否向控制中心發(fā)送定位數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。

5、  短消息處理任務(wù)

在GPRS網(wǎng)絡(luò)不可用的情況下，系統(tǒng)啟動短消息任務(wù)進行數(shù)據(jù)的通信，當讀串口任務(wù)接收到短消息時，調(diào)用OSQPost(SMsgQ,(void *)&SMsg_Buf[0])向短信息任務(wù)發(fā)送消息，短信息任務(wù)不斷調(diào)用sm_msg =OSQPend(SMsgQ,100,&err)來獲得短消息，然后進行相應(yīng)的短信收發(fā)處理。

6、  讀串口任務(wù)

在讀串口任務(wù)中，從接收緩沖區(qū)中讀取來自GPRS通訊模塊和GPS模塊發(fā)送的字符串，同時分析接收的字符串坐相應(yīng)的處理以及向GPRS任務(wù)和短消息任務(wù)發(fā)送消息。

結(jié)語

本文描述了在MCS51的硬件平臺上實現(xiàn)uC/OS-II，并針對傳統(tǒng)的單片機程序設(shè)計方法設(shè)計的穩(wěn)定性不佳的問題，提出了基于uC/OS-II的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的方案。但是，使用實時內(nèi)核來管理這些任務(wù)，會增加系統(tǒng)的內(nèi)存容量和CPU時間的消耗，而且任務(wù)調(diào)度的優(yōu)勢不能很好地顯示出來，因此，該設(shè)計有一定局限性。但是，在系統(tǒng)的內(nèi)存足夠大、CPU運行速度足夠快的情況下，使用實時內(nèi)核uC/OS-II設(shè)計，可以提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的后繼開發(fā)，本系統(tǒng)選用CPU為W78E516，外擴32K RAM,晶振頻率為22.1184M，能很好的滿足系統(tǒng)的要求。