嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是一個可裁剪、源碼開放、結構小巧、搶先式的實時多任務內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高，占用空間小，可移植性強，實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。數(shù)控系統(tǒng)是一個典型的強實時性系統(tǒng)，具有可確定性?？纱_定性主要是確保條件出現(xiàn)到由此引起的動作開始(或者結束)的時間在一個準確的時段內(nèi)。在數(shù)控系統(tǒng)中，條件是由操作員的指令(如：緊急停止、移動x軸等)或是機床的狀態(tài)(如刀具破損等)引起的。本文分析了數(shù)控系統(tǒng)任務的特點，結合μC／OS-Ⅱ的內(nèi)核體系，對μC／OS-Ⅱ的任務分類、任務調(diào)度和中斷服務策略做了改進，使其更加適合于數(shù)控系統(tǒng)的應用。

1 μC／OS-Ⅱ對任務的分類

μC／OS-Ⅱ中每個任務有5種狀態(tài)：休眠(DORMANT)、就緒(READY)、運行(RUNNING)、等待(WAITING)、中斷(ISR)。休眠狀態(tài)的任務駐留在存儲器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務準備執(zhí)行，優(yōu)先級低于當前執(zhí)行的任務，沒有得到CPU控制權；任務得到CPU控制權后就處于運行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務處于等待狀態(tài)，事件可以是I／O操作完成、共享資源可以利用、時鐘周期到等；任務執(zhí)行過程被中斷服務例程中斷，任務就處于中斷狀態(tài)。

2 μC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進

2．1 數(shù)控系統(tǒng)任務的特點

在數(shù)控系統(tǒng)中，任務可分為兩種：周期運行的任務和信號觸發(fā)運行的任務，這里所說的信號即包括硬件信號，也包括軟件信號。周期運行的任務有定時信號采樣、定時I／O口掃描、定時通信等。信號觸發(fā)運行的任務有中斷信號(硬件信號)觸發(fā)的中斷服務任務，命令消息信號(軟件信號)觸發(fā)的命令解釋任務等。另外，數(shù)控系統(tǒng)中，有些任務還具有運行時間短，運行頻率高，要求實時性高的特點，如信號采樣、數(shù)控機床中的插補控制等。

2．2 改進后的任務劃分

在改進后的嵌入式操作系統(tǒng)中任務分為兩類：普通任務和搶占式任務。普通任務指通過操作系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度運行的任務，調(diào)度方法如圖1所示；搶占式任務指那些不通過調(diào)度器調(diào)度運行，而是在中斷處理中直接運行的任務。下面詳細說明這兩種任務。


2．2．1 普通任務

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務多為周期任務和信號觸發(fā)任務這一特點，將普通任務分為兩種：定時運行的周期任務(簡稱周期任務)和信號觸發(fā)運行的隨機任務(簡稱隨機任務)。相應的，任務狀態(tài)被劃分為6種：運行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)、停止態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。圖1為改進后的任務狀態(tài)切換圖。

在這六種狀態(tài)中，運行態(tài)、就緒態(tài)和中斷態(tài)對應μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；掛起態(tài)是任務在執(zhí)行完成前，因等待某事件或資源而被迫停止運行，等待事件或資源到來的狀態(tài)；等待態(tài)是周期任務完成一次運行，等待運行周期到再次運行時的狀態(tài)；停止態(tài)是隨機任務等待其觸發(fā)信號的狀態(tài)。這里去掉了休眠態(tài)，即沒有任務的刪除，所有的任務一旦建立，在系統(tǒng)運行期間一直存在。這樣的處理是因為在數(shù)控系統(tǒng)應用中，所有建立的任務一定是有用的，即在系統(tǒng)運行期間一定會被執(zhí)行，無用的代碼和任務不會被添加。在μC／OS-Ⅱ中，設定每個任務都是一個無限的循環(huán)，即任務函數(shù)永不返回，這樣做是不合適的。該操作系統(tǒng)允許任務函數(shù)返回，返回后調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)根據(jù)任務的類別，把周期任務放入等待隊列，把隨機任務放入停止隊列。

2．2．2 搶占式任務

搶占式任務為執(zhí)行時間短且執(zhí)行頻率高于OS系統(tǒng)時鐘頻率(如信號采樣)，或實時要求高(如數(shù)控機床中的插補控制)的任務。調(diào)度任務時間(主要是任務切換所花費的時間)往往比這類任務運行一次的時間還多，這顯然是不合理的，搶占式任務正是為解決這種不合理而設計的。搶占式任務不通過OS調(diào)度器調(diào)度運行，也不采用TCB(任務控制塊)標識它們，而是在它們的中斷觸發(fā)信號到達時，在中斷中_直接處理，這樣做節(jié)省了調(diào)度、任務切換的時間。但是，由于搶占式任務沒有TCB，也就沒有相應的任務堆棧，所以搶占式任務在使用資源上要特別注意：一定要使用獨立的資源。這樣既可以使搶占式任務正常運行，又可以避免搶占式任務對被中斷程序的環(huán)境造成破壞。具體辦法如下：

(1)專用寄存器組。若處理程序中使用了寄存器，則為其分配專用的寄存器組，這樣也省去了保存／恢復寄存器的時間消耗。

(2)全局變量。因為函數(shù)內(nèi)部的局部變量是分配在堆棧中的，直接處理方式不形成任務，沒有自己的堆棧，如果使用局部變量，其局部變量會分配在被中斷任務的堆棧內(nèi)，所以在該方式下任務應使用全局變量。用戶在設計搶占式任務時要有一定限制，否則會影響系統(tǒng)的響應時間。具體限制如下：第一，數(shù)量不能太多，最好小于等于3個；第二，必須是執(zhí)行時間短，執(zhí)行頻率高的任務才能被設為搶占式任務。

3 需要修改的內(nèi)核數(shù)據(jù)和函數(shù)

3．1 任務控制塊的修改

(1)修改OSTCBDly的含義。在μC／OS-Ⅱ中，OSTCBDly表示任務延時的時鐘節(jié)拍數(shù)，或者任務掛起時的超時時鐘節(jié)拍數(shù)。如果這個變量為0，則表示任務不延時，或者表示等待事件發(fā)生的時間沒有限制，修改后，OSTCBDly描述任務自運行的周期數(shù)，其計算公式如式(1)所示。若該項為零，任務為信號觸發(fā)的隨機任務。

(2)在TCB增加一項OSTCBDlyD作為任務自運行周期動態(tài)值。
INT16UOSTCBDlyD； ／*任務自運行周期動態(tài)值*／其中，OSTCBDlyD是任務等待運行時間的動態(tài)值。若任務在等待態(tài)，其初值為OSTCBD-ly；若任務為掛起態(tài)，其初值為超時限制值。系統(tǒng)時鐘處理函數(shù)OSTimeTick()對OSTCBDlyD減1，當OSTCBDlyD小于0時，則將該任務放入就緒隊列。

(3)增加OSTCBStat的取值。OSTCBStat是任務的狀態(tài)字。由于增加了停止態(tài)和等待態(tài)兩種任務狀態(tài)，因此需要增加OSTCBStat的取值，具體修改是在文件μCOS_II．H中增加下面信息。

#define OS_STAT_wAIT 0x40 ／／任務狀態(tài)字為等待態(tài)
#define OS_STAT_STOP 0x80 ／／任務狀態(tài)字為停止態(tài)

3．2 時鐘節(jié)拍函數(shù)的OSTimeTick()修改

通過TCB數(shù)組掃描全部TCB，根據(jù)OSTCBStat的值做不同處理，具體處理如下：
就緒態(tài)的任務，OSTCBDlyD--，若有超時，則進行超時處理。
掛起態(tài)的任務，OSTCBDlyD--，若有超時，則將其插入就緒表。
等待態(tài)的任務，OSTCBDlyD--，若到時，則將其加入就緒表。
運行態(tài)的任務和停止態(tài)的任務，不做處理。

3．3 增加函數(shù)OSTaskEndDeal()

當前任務的函數(shù)運行完返回時，調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)完成工作：首先調(diào)用OSTaskStkInit()將該任務的堆棧初始化；然后判斷任務是否為最低優(yōu)先級任務，若是，則保持該任務在就緒態(tài)，這樣做的目的是使最低優(yōu)先級任務始終處于就緒態(tài)，就緒表不會為空。若否，則根據(jù)OSTCBCUR→OSTCBDly決定任務該插入哪個隊列，該值等于零，任務進入停止狀態(tài)；

不等于零，任務進入等待狀態(tài)。最后，調(diào)用OSStart()選擇新任務運行。

3．4 搶占式任務的實現(xiàn)

搶占式任務的設計需要根據(jù)實際情況做處理，這里以數(shù)控系統(tǒng)中的插補控制為例介紹搶占式任務的實現(xiàn)。

3．4．1 插補控制任務的功能

插補控制任務是根據(jù)加工命令和當前點的位置，實時計算各坐標軸運動的位移和方向。插補時需要用一個定時器作為插補速度的控制，每次定時中斷觸發(fā)一步插補運算和輸出，當插補到終點，定時器停止，插補完成。

3．4．2 插補控制任務的實現(xiàn)

(1)選擇一個硬件定時器作為插補專用定時器，將插補任務的代碼放入該硬件定時器的中斷服務程序中。
(2)為該中斷設置一組專用的寄存器組，以減少中斷環(huán)境保存和恢復的時間。
(3)將需要執(zhí)行插補任務的當前位置值和加工命令(如：加工曲線線形、終點值)等信息定義成全局變量，以便與其他任務實現(xiàn)快速的信息交互。
(4)插補控制任務的啟動。根據(jù)插補速度設定定時器初值，初始化插補所用的全局變量，啟動定時器。

4 基于改進后的μC／OS-Ⅱ的數(shù)控機床執(zhí)行控制器的軟件設計

數(shù)控機床系統(tǒng)采用兩級結構。上位機由專用軟件IPC構成，用于實現(xiàn)人機交互；下位機由C8051020及其外圍電路的嵌入式執(zhí)行控制器構成，負責實時、可靠的控制。嵌入式執(zhí)行控制器軟件基于改進后的μC／OS-Ⅱ設計，主要包括下面一些功能：與IPC的通信(發(fā)送任務和接受任務)、命令解釋(命令解釋任務)和命令執(zhí)行(加工監(jiān)控任務、插補計算任務、間隙電壓檢測和限位開關狀態(tài)檢測任務)。其中，通信有發(fā)送和接收兩方面內(nèi)容；命令解釋時，對開關量控制命令直接執(zhí)行；命令執(zhí)行中需要進行插補計算、檢測間隙電壓和限位開關狀態(tài)及加工監(jiān)測。各任務具體設計如表1所示。


5 結語

本文根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務特點，對μC／OS-Ⅱ的任務劃分和任務調(diào)度做了改進，更加方便數(shù)控系統(tǒng)任務的在μC／OS-Ⅱ上的添加，同時也便于μC／OS-Ⅱ對不同任務的管理。搶占式任務減少了任務切換花費的時間，并提高了硬件資源的利用率，但應注意搶占式任務的數(shù)量不能過多，最好小于等于3個，否則會影響OS正常運行。改進后的內(nèi)核已應用到了實際項目中，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。