單片機(jī)搶占式嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

侯文賓

摘 要：搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)由于具有較高的實(shí)時(shí)性，所以應(yīng)用范圍更廣。而采用單片機(jī)作為系統(tǒng)內(nèi)核，則能進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)控制，以提高系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性?；谶@種認(rèn)識(shí)，本文在明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)；80C51單片機(jī)；中斷處理

搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)能夠在任務(wù)得到CPU時(shí)間時(shí)第一時(shí)間進(jìn)行CPU的完全霸占，能夠更好的把握系統(tǒng)控制權(quán)，從而使任務(wù)得到迅速完成。所以相較于非搶占式操作系統(tǒng)，該種系統(tǒng)能夠更好的滿足應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求，能夠在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。因此，還應(yīng)加強(qiáng)搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，從而更好的完成該類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1 基于單片機(jī)的搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于單片機(jī)的搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先還要滿足實(shí)時(shí)性要求。進(jìn)行這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要將系統(tǒng)調(diào)用設(shè)計(jì)為可重入，以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)訪問(wèn)能夠在臨界區(qū)得到實(shí)現(xiàn)。而系統(tǒng)的調(diào)用不會(huì)被別的任務(wù)打斷，所以想要避免關(guān)鍵任務(wù)的執(zhí)行被延遲，還要采取合理的調(diào)度策略。針對(duì)任務(wù)間耦合度低的系統(tǒng)，可以進(jìn)行單一速率調(diào)度算法的使用，完成靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，根據(jù)任務(wù)周期確定最高優(yōu)先級(jí)。針對(duì)任務(wù)耦合度較高的系統(tǒng)，還要采取期限最近優(yōu)先調(diào)度策略，根據(jù)最后期限順序完成優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)設(shè)置。

2 基于單片機(jī)的搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施

在實(shí)際進(jìn)行基于單片機(jī)的搶占式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在完成合適單片機(jī)選擇后，還要完成系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，即完成中斷處理模塊、任務(wù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)模塊和任務(wù)通訊等模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)單片機(jī)選擇

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，考慮到系統(tǒng)任務(wù)數(shù)在510s范圍內(nèi)，且規(guī)模較小，擁有較高的可靠性和安全性要求，并需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，因此還要選用80C51單片機(jī)。該單片機(jī)由Intel公司開(kāi)發(fā)，內(nèi)部擁有乘、除、減、比較等指令，并能實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)運(yùn)算等運(yùn)算，包含5個(gè)中斷源。此外，單片機(jī)擁有128Byte的RAM及4K的ROM，并擁有兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器和4個(gè)8位并行輸入口，能夠滿足系統(tǒng)時(shí)間精度要求。在各模塊設(shè)計(jì)上，采用該單片機(jī)可以直接利用匯編語(yǔ)言完成編程，并且可以利用實(shí)地址線程完成任務(wù)的管理。

2.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 中斷處理模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中斷處理模塊設(shè)計(jì)上，還要將各中斷源設(shè)為優(yōu)先級(jí)較低的部分，以確保中斷能夠得到及時(shí)響應(yīng)。在中斷處理方面，首選需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)中斷響應(yīng)，然后根據(jù)中斷源完成例程ISR選擇，最后進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)。利用reenter，可實(shí)現(xiàn)嵌套層次的記錄。在每次利用reenter時(shí)，還要進(jìn)行加1處理，并在退出中斷時(shí)進(jìn)行減1。在reenter=0的情況下，代表所有處理已經(jīng)結(jié)束，可進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。利用ISR，可進(jìn)行中斷源分析，并直接完成急迫和簡(jiǎn)單事件處理。如果遇到復(fù)雜事件，則需要交由其他對(duì)應(yīng)任務(wù)[1]。在系統(tǒng)任務(wù)推出內(nèi)核時(shí)，堆棧指針則會(huì)指向current線程，從而完成任務(wù)調(diào)度。通過(guò)中斷處理，可以使任務(wù)的優(yōu)先級(jí)得到改變。利用current，則能完成最高優(yōu)先級(jí)的設(shè)置。

2.2.2 任務(wù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)

在任務(wù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)模塊設(shè)計(jì)上，還要采取線程方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理。在系統(tǒng)內(nèi)核中，需完成全局變量區(qū)域的設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)線程共享。而從線程組成上來(lái)看，則包含可執(zhí)行代碼和任務(wù)控制塊，需利用TCB標(biāo)識(shí)任務(wù)表。該任務(wù)表將被存儲(chǔ)在內(nèi)核的相應(yīng)表格中，能夠?yàn)閿?shù)量為n_tasks的任務(wù)提供支持，該數(shù)值通常在15以下。結(jié)合任務(wù)的狀態(tài)及性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)表鏈接。而利用TCB，可以完成任務(wù)硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)的標(biāo)識(shí)，可以利用rt進(jìn)行標(biāo)識(shí)。如果需進(jìn)行中斷事件的處理，需利用ISR完成deadline的調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)TASK的充填。在此基礎(chǔ)上，需準(zhǔn)備好state。并完成就緒隊(duì)列的插入。利用TASK，也能完成任務(wù)說(shuō)明的存放。而標(biāo)有p_task的隊(duì)列擁有被記錄的事件，這類事件大多由于發(fā)生過(guò)快而被延期，以免任務(wù)丟失。在中斷退出時(shí)，需完成變量設(shè)置，以完成線程獲取。而在這一階段，可以根據(jù)任務(wù)最后期限的順序完成current設(shè)置，并確保硬實(shí)時(shí)優(yōu)先。值得注意的是，運(yùn)行的任務(wù)數(shù)量應(yīng)在10以下，需通過(guò)順鏈查找完成任務(wù)插入，以確保任務(wù)能夠得到實(shí)時(shí)調(diào)用。進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)，需進(jìn)行定時(shí)器計(jì)時(shí)。而任務(wù)啟動(dòng)后，無(wú)需將線程刪除。在實(shí)際調(diào)度任務(wù)時(shí)，需采用EDF，確保系統(tǒng)負(fù)載不超過(guò)最大承受的數(shù)量。如果硬實(shí)時(shí)超出時(shí)限，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)定時(shí)終端，完成異常例程啟動(dòng)，需完成安全恢復(fù)操作的設(shè)定才能實(shí)現(xiàn)任務(wù)。此時(shí)，在系統(tǒng)入口地址位置，將完成do_error的存放，系統(tǒng)則會(huì)進(jìn)行關(guān)中斷的執(zhí)行。

2.2.3 其他模塊設(shè)計(jì)

在線程之間，可能存在路徑互斥的情況。此時(shí)，還要利用關(guān)中斷完成內(nèi)核控制，利用軟鎖進(jìn)行中斷響應(yīng)的提供[2]。而在線程通訊方面，由于缺少用戶地址空間，所以還要實(shí)現(xiàn)線程間信息共享。針對(duì)這一情況，用戶還要加強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)用，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

3 結(jié)論

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行搶占式實(shí)施嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還要采用80C51單片機(jī)作為系統(tǒng)內(nèi)核，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求。在此基礎(chǔ)上，還要做好系統(tǒng)中斷處理、任務(wù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)等模塊的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)性的應(yīng)用要求。因此，相信本文該系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題展開(kāi)的分析，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作的開(kāi)展提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃強(qiáng)，徐偉華，吳一波.基于混合架構(gòu)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2011，37（12）：1012.

[2]王帥華，楊東升，王允森，等.基于ARM的Linux實(shí)時(shí)搶占補(bǔ)丁的研究與實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015，（09）：14.