嵌入式系統(tǒng)裸機的任務調(diào)度應用設計*

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(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，濟南 250353；2.山東省科學院自動化研究所；3.山東省汽車電子技術(shù)重點實驗室)

引 言

在嵌入式系統(tǒng)的軟件設計中，要根據(jù)具體應用要求和系統(tǒng)資源大小，選擇合適的嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)應用邏輯劃分任務，然后利用操作系統(tǒng)提供的一系列API建立任務隊列，以消息或事件的形式進行任務間通信，實現(xiàn)任務調(diào)度[1]，這種方式可以讓開發(fā)人員將精力集中在應用邏輯的開發(fā)上，不僅可以實現(xiàn)軟件的模塊化，還可以靈活地進行修改和維護。

在這種方式下，MCU上電初始化時首先建立任務隊列，為每個任務設定合適的優(yōu)先級，并分配一定的堆棧用于存儲任務上下文。在系統(tǒng)運行階段，系統(tǒng)滴答、發(fā)送消息或事件、各種系統(tǒng)中斷都會觸發(fā)任務調(diào)度。執(zhí)行任務切換時，首先將當前任務的上下文數(shù)據(jù)保存到任務堆棧中，然后將新任務堆?；謴偷組CU各類寄存器和系統(tǒng)棧中[2]，根據(jù)新的PC(程序計數(shù)器)指針執(zhí)行新任務。每個任務堆棧都會消耗寶貴的RAM資源，而且系統(tǒng)運行階段存在大量頻繁的中斷時，上下文的存儲和恢復會極大消耗MCU的計算資源，因此，只有在RAM資源豐富、主頻高的高端MCU中才選擇使用操作系統(tǒng)。在那些由于成本限制只能選擇RAM資源較小、主頻較低的中低端MCU的嵌入式系統(tǒng)的軟件設計中，只能采用不加操作系統(tǒng)的裸機方式。

1 方案設計

在不帶操作系統(tǒng)的裸機嵌入式系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)在一個主循環(huán)體中運行。MCU循環(huán)調(diào)用由各種軟件模塊組成的主循環(huán)體，各個軟件模塊不存在各自的任務堆棧，共享一個系統(tǒng)棧。執(zhí)行中斷處理程序或調(diào)用子函數(shù)時，MCU將一些局部變量、中間計算結(jié)果和寄存器存入系統(tǒng)棧，執(zhí)行完中斷處理程序或子函數(shù)后恢復系統(tǒng)棧。在這種方式下，一般以大量的全局變量和標志位實現(xiàn)各個軟件模塊的交互，造成各個軟件模塊之間耦合性強，修改和維護不靈活。

本文借鑒操作系統(tǒng)的任務調(diào)度思想，提出一種裸機嵌入式系統(tǒng)的任務調(diào)度方法[3]。在裸機開發(fā)方式中，設計一種不帶任務堆棧的邏輯任務，按照具體應用劃分若干邏輯任務，這些邏輯任務共享一個系統(tǒng)棧，每個邏輯任務都有自己的事件隊列和任務處理程序，任務之間通過發(fā)送事件的形式進行通信。這種方法實現(xiàn)了類似于操作系統(tǒng)的任務調(diào)度機制，能夠清晰反映應用實現(xiàn)邏輯，同時提高了軟件模塊的內(nèi)聚性，降低了軟件模塊之間的耦合性[4]。

2 軟件設計

2.1 邏輯任務設計

為了清晰地反映應用的實現(xiàn)邏輯，以邏輯任務的形式實現(xiàn)各個軟件模塊，每個邏輯任務都有相應的任務處理函數(shù)和事件隊列，任務之間通過事件的形式進行通信，發(fā)送的事件填充到任務的事件隊列中，任務處理函數(shù)根據(jù)任務事件隊列中的事件執(zhí)行相關(guān)操作。

為了便于管理，以結(jié)構(gòu)體的形式描述邏輯任務，結(jié)構(gòu)體成員變量包括任務ID、事件隊列、事件產(chǎn)生索引、事件消費索引。邏輯任務結(jié)構(gòu)體如下所示：

typedef struct{

e_Event event[DEFAULT_EVENTQ_SIZE];

e_TaskId task_id;

uint8_ttick_idx;

uint8_ttalk_idx;

}s_Task;

以能夠反映任務具體功能的枚舉類型定義任務ID，以ID查找對應的邏輯任務結(jié)構(gòu)體。同時，以任務ID作為任務優(yōu)先級，ID值越大，優(yōu)先級越高。筆者為某汽車廠開發(fā)的BCM的任務包括輸入信號檢測、RKE、CAN通信、LIN通信、網(wǎng)絡管理、門鎖控制、車燈控制、雨刮控制、車窗防盜報警、車身防盜報警、故障診斷、發(fā)動機防盜、定時器管理[2]，定義任務ID枚舉類型如下：

typedef enum{

MIN_TASK_PRIO,

INPUT_DETECT_TASK_PRIO = MIN_TASK_PRIO,

RKE_TASK_PRIO,

CAN_TASK_PRIO,

LIN_TASK_PRIO,

NM_TASK_PRIO,

LOCK_CTRL_TASK_PRIO,

LGT_CTRL_TASK_PRIO,

WIPER_CTRL_TASK_PRIO,

WDW_CTRL_TASK_PRIO,

ALARMSTATE_TASK_PRIO,

SYS_MONITOR_TASK_PRIO,

IMMO_TASK_PRIO,

TIMER_TASK_PRIO,

MAX_TASK_PRIO = TIMER_TASK_PRIO,

}e_TaskId;

事件隊列從邏輯上來說是一個環(huán)形隊列，從實現(xiàn)上來說是一個枚舉類型的數(shù)組，包括兩個索引：事件產(chǎn)生索引和事件消費索引，事件產(chǎn)生索引以tick_idx表示，事件消費索引以talk_idx表示。事件隊列的大小根據(jù)實際應用而定。

2.2 任務調(diào)度

MCU上電初始化時，按照任務優(yōu)先級從低到高的順序?qū)⒏鱾€邏輯任務結(jié)構(gòu)體的事件隊列數(shù)組成員初始化為0，事件產(chǎn)生索引和事件消費索引初始化為0，然后進入主循環(huán)體。進入主循環(huán)體，在主循環(huán)體中執(zhí)行任務調(diào)度程序，按照邏輯任務優(yōu)先級從高到低的順序依次調(diào)用每個邏輯任務的任務處理程序，直至當前邏輯任務的優(yōu)先級為最低時，退出任務調(diào)度程序，返回進入主循環(huán)體。任務調(diào)度流程如圖1所示。

圖1 任務調(diào)度流程圖

2.3 任務處理程序設計

當中斷處理程序或任務處理程序向某個任務發(fā)送事件時，向該任務結(jié)構(gòu)體中的事件隊列中填充事件，將事件賦值給以該任務結(jié)構(gòu)體的事件產(chǎn)生索引為下標的事件隊列數(shù)組成員，然后將事件產(chǎn)生索引加1，如果索引值等于事件隊列數(shù)組的長度，將事件產(chǎn)生索引置0。

執(zhí)行任務處理程序時，如果事件產(chǎn)生索引和事件消費索引兩者相等，說明事件隊列中不存在未被處理的事件，如果不相等，說明存在未被處理的事件，讀取以該任務結(jié)構(gòu)體的事件消費索引為下標的事件隊列數(shù)組成員，根據(jù)具體事件執(zhí)行相關(guān)操作，然后將事件消費索引加1，如果索引值等于事件隊列數(shù)組的長度，將事件消費索引置0。再次判斷事件產(chǎn)生索引和事件消費索引是否相等，循環(huán)處理，直到事件隊列中不再存在未被處理的事件。任務處理程序流程如圖2所示。

圖2 任務處理程序流程圖

結(jié) 語

[1] 常華利,尹震宇.基于MicroBlaze的μC/OS-II操作系統(tǒng)移植[J].計算機系統(tǒng)應用,2017(5):239-246.

[2] 陳發(fā)堂,主父文剛,童慶.Nucleus PLUS操作系統(tǒng)在TMS320C81 68上的移植及TD-LTE中的應用[J].廣東通信技術(shù),2016(2):22-25,33.

[3] 山東省科學院自動化研究所.一種嵌入式軟件的任務調(diào)度方法及裝置:中國,201810128162.1[P].2018-2-8.

[4] 張智慧.C語言嵌入式系統(tǒng)編程軟件設計架構(gòu)研究[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2018(1):3-5,10.

[5] 馬建輝,王知學,李研強.車身控制系統(tǒng)BCM的設計與實現(xiàn)[J].中國科技成果,2011(13):49-51.