基于裸機(jī)編程的實(shí)時(shí)系統(tǒng)

摘要：在系統(tǒng)控制過程中，實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)性能的一個(gè)重要測(cè)試指標(biāo)。應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是保證實(shí)時(shí)性的一種普遍方法，但是一些資源相對(duì)缺乏的單片機(jī)是不適合用操作系統(tǒng)的。本文介紹在中低檔控制系統(tǒng)中，在不采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的情況下，如何對(duì)多個(gè)任務(wù)進(jìn)行控制，以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求的方法。


關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 單片機(jī) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

引 言

　　在嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何對(duì)被控制的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，使其動(dòng)作順序合理、響應(yīng)速度快捷，往往是設(shè)計(jì)者所考慮的一個(gè)很重要的方面，也是衡量檢驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)的綜合性能的重要指標(biāo)。為了在多個(gè)任務(wù)的協(xié)調(diào)控制中滿足實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)者往往會(huì)考慮在系統(tǒng)中嵌入目前流行的某種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在也有一些通過驗(yàn)證的比較優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可供選擇，有的源代碼甚至是免費(fèi)提供的，網(wǎng)上也有大量的移植成功的源代碼范例?；趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)編程可以大大縮短開發(fā)的周期，實(shí)時(shí)性也有足夠的保證?；趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)編程的代價(jià)之一是，增加了程序代碼的長度；代價(jià)之二是，需要較多的RAM空間，在不擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器的情況下，中低檔單片機(jī)是難以勝任的。另一方面，大部分中低檔應(yīng)用系統(tǒng)通過合理的設(shè)計(jì)，采用基于裸機(jī)編程（沒有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）的方法，也可以保證一定的實(shí)時(shí)性，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制的要求，這是本文所要介紹的內(nèi)容。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理


　　1.1 通過定時(shí)中斷間隔的設(shè)計(jì)來保證實(shí)時(shí)性

　　為了完成控制系統(tǒng)中多任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)要求，可以利用定時(shí)中斷作為系統(tǒng)的時(shí)鐘。每個(gè)中斷的間隔作為時(shí)鐘的最小基本單位，這個(gè)值要小于或等于被控制的各個(gè)任務(wù)中對(duì)時(shí)間要求最苛刻的任務(wù)的最大允許響應(yīng)時(shí)間。定時(shí)間隔越短，響應(yīng)越快捷，但系統(tǒng)CPU的負(fù)擔(dān)也越重（因?yàn)镃PU休眠的時(shí)間也越來越少）。這是一對(duì)相互矛盾的事物，需要設(shè)計(jì)者謹(jǐn)慎的協(xié)調(diào)才能達(dá)到最完美的效果。例如在配料控制系統(tǒng)中，如果加料速度為20 kg/s，要求配料誤差為1 kg，則系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性必須保證在50 ms之內(nèi)。為了留有余地，可將定時(shí)中斷間隔設(shè)置為20 ms。

　　1.2 通過對(duì)所有任務(wù)的及時(shí)“照看”來管理多任務(wù)

　　可以根據(jù)各個(gè)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的不同程度,將任務(wù)分為不同的類型。對(duì)實(shí)時(shí)性要求越是苛刻的任務(wù)，就需要得到系統(tǒng)越頻繁的“照看”。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)，系統(tǒng)對(duì)它的“照看”時(shí)間間隔可以長一些。例如，有兩個(gè)任務(wù)A和B，任務(wù)A每秒必須“照看”10次，任務(wù)B每秒必須“照看”2次，則控制流程如圖1所示。從圖1中可以看出，任務(wù)A每隔0.1 s“照看”1次，任務(wù)B每隔0.5 s“照看”1次。對(duì)實(shí)時(shí)性要求基本相同的若干任務(wù)，可依次“照看”,其程序流程如圖2所示。

  

圖1處理實(shí)時(shí)性要求不同的任務(wù) 
圖2處理實(shí)時(shí)性要求基本相同的任務(wù) 


　　將所有任務(wù)都放在定時(shí)監(jiān)控循環(huán)中來“照看”，就可以使各個(gè)任務(wù)得到實(shí)時(shí)“照看”，問題的關(guān)鍵是系統(tǒng)如何“照看”各個(gè)任務(wù)。如果某任務(wù)運(yùn)行一次所需要的時(shí)間遠(yuǎn)小于定時(shí)間隔，則該任務(wù)可安排在系統(tǒng)“照看”它時(shí)完整地執(zhí)行一次。在這種情況下，“照看”某任務(wù)和“運(yùn)行”某任務(wù)是一回事。如果某任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)大于定時(shí)間隔，例如在配料系統(tǒng)中，一次配料任務(wù)需要數(shù)十秒鐘，而定時(shí)間隔只有20 ms，因此，在“照看”該任務(wù)時(shí)不可能等待它完成后再“照看”其他任務(wù)，否則系統(tǒng)就會(huì)崩潰。為此，系統(tǒng)對(duì)任何任務(wù)的“照看”時(shí)間必須遠(yuǎn)小于定時(shí)間隔，只有這樣才能保證系統(tǒng)在一個(gè)定時(shí)間隔中完成對(duì)所有任務(wù)的“照看”。由此可以看出，在本方法中，任何任務(wù)都不能較長時(shí)間單獨(dú)占有CPU，而是在不斷地得到系統(tǒng)的“照看”，通過“照看”來維持各個(gè)任務(wù)的正常運(yùn)行。

　　1.3將任務(wù)分解為若干狀態(tài)

　　對(duì)于執(zhí)行時(shí)間大于定時(shí)間隔的任務(wù)，其執(zhí)行過程都是由若干不同狀態(tài)構(gòu)成的。在不同狀態(tài)下，需要系統(tǒng)進(jìn)行不同方式的“照看”，為此，為這個(gè)任務(wù)設(shè)置一個(gè)狀態(tài)變量，以指示該任務(wù)當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)“照看”該任務(wù)時(shí)，首先讀取該任務(wù)的狀態(tài)變量，然后根據(jù)狀態(tài)變量的值來執(zhí)行對(duì)應(yīng)的“照看”操作。

　　 為了使系統(tǒng)能夠及時(shí)從某個(gè)任務(wù)脫身，以便及時(shí)“照看”另外的任務(wù)，則任何“照看”操作都必須非常簡(jiǎn)短（遠(yuǎn)小于定時(shí)間隔）。如果某個(gè)任務(wù)的某種狀態(tài)需要系統(tǒng)較長時(shí)間的“照看”（如進(jìn)行一段比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理），則必須將這個(gè)狀態(tài)再分解為若干狀態(tài)，直到每個(gè)狀態(tài)需要的處理時(shí)間均比定時(shí)中斷間隔短得多。也可以設(shè)置若干標(biāo)志，將這些耗時(shí)的處理過程放在后臺(tái)處理。

　　1.3將任務(wù)分解為若干狀態(tài)

　?、?nbsp;本方法沒有優(yōu)先級(jí)的概念，所有任務(wù)都一視同仁得到“照看”，不存在“任務(wù)調(diào)度”問題，從根本上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，也大大降低了對(duì)硬件資源的要求。

　?、?nbsp;本方法與“時(shí)間片輪回”方法類似，但有兩點(diǎn)不同：第一是每個(gè)任務(wù)得到的“時(shí)間片”是不固定的，與該任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)該任務(wù)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其“照看”操作所需要的時(shí)間就比較短，占用的“時(shí)間片”也就比較短;第二是以“照看”操作來劃分“時(shí)間片”，每個(gè)任務(wù)的“照看”都是一個(gè)完整的過程，不存在被打斷的情況，故不需要為每個(gè)任務(wù)配置“堆?！?。各個(gè)任務(wù)之間的通信和同步可以通過變量和標(biāo)志來完成，實(shí)現(xiàn)起來也比較簡(jiǎn)單。

　?、?nbsp;由于本方法對(duì)處于“停止?fàn)顟B(tài)”的任務(wù)也要不停地“照看”，顯然時(shí)間利用率不高，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)數(shù)量較多或?qū)崟r(shí)性要求很高時(shí)就難于勝任，故本方法只能在任務(wù)數(shù)量較少的中低檔系統(tǒng)中采用；任務(wù)數(shù)量較多或?qū)崟r(shí)性要求很高的系統(tǒng)，仍然應(yīng)該采用基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的編程方法。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　現(xiàn)結(jié)合一個(gè)配料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例來說明該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在配料系統(tǒng)中，配方中的每種成分都由一個(gè)獨(dú)立的料斗來配置，并由一個(gè)獨(dú)立的電子秤來計(jì)量。進(jìn)行配料操作時(shí)，為了提高工作效率，各個(gè)料斗同時(shí)進(jìn)行加料，達(dá)到配方中各自規(guī)定的重量后則停止加料。當(dāng)所有料斗都完成加料過程后，便同時(shí)（或按預(yù)定順序）出料，進(jìn)行混合處理。各個(gè)料斗均出料結(jié)束后，間隔若干秒鐘自動(dòng)開始下一輪配料過程。
　　　　
　　在該系統(tǒng)中有如下任務(wù)需要運(yùn)行：

　　◆ 鍵盤管理任務(wù)。采集操作者的按鍵動(dòng)作并解釋執(zhí)行，用來設(shè)置配方數(shù)據(jù)和配料次數(shù)，控制系統(tǒng)運(yùn)行。
　　◆ 顯示任務(wù)。顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)。
　　◆ 數(shù)據(jù)采集任務(wù)。讀取各個(gè)電子秤當(dāng)前的數(shù)據(jù)。
　　◆ 配料控制任務(wù)。根據(jù)配方要求和電子秤當(dāng)前的數(shù)據(jù)來決定料斗的工作狀態(tài)。
　　◆ 控制信號(hào)輸出任務(wù)。根據(jù)料斗狀態(tài)，輸出相應(yīng)的各路控制信號(hào)。
　　◆ 時(shí)鐘任務(wù)。為系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，使各個(gè)任務(wù)可以按規(guī)定節(jié)奏來運(yùn)行。
　　◆ 睡眠任務(wù)。讓系統(tǒng)在空閑時(shí)間里進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 

　　系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。左邊是主程序，只安排了睡眠任務(wù)；右邊是定時(shí)中斷子程序，安排了其他所有任務(wù)。

　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

　　除配料控制任務(wù)外，其他任務(wù)運(yùn)行一次的時(shí)間均遠(yuǎn)小于定時(shí)間隔，在每次定時(shí)中斷中均可以完整地運(yùn)行一次，故采用普通的編程方法將其運(yùn)行過程寫出來即可。配料控制任務(wù)無法在一次定時(shí)中斷里完成，只能用不斷“照看”的方法來完成。如果配料任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間（運(yùn)行周期）為40 s，定時(shí)中斷間隔時(shí)間為20 ms，則每次配料過程都是通過2000次“照看”來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)配方有四種成分，則系統(tǒng)有四個(gè)料斗并行工作，“配料控制”任務(wù)的“照看”操作實(shí)際上由“照看料斗1”、“照看料斗2”、“照看料斗3”、“照看料斗4”組成（如圖2所示），即每次定時(shí)中斷都要依次“照看”四個(gè)料斗。四個(gè)料斗的“照看”操作方式基本相同。由于配方數(shù)據(jù)的差異，四個(gè)料斗的狀態(tài)不一定每時(shí)每刻都同步。如果不考慮加料時(shí)的“落差”現(xiàn)象，就一個(gè)料斗而言，“照看”操作內(nèi)容設(shè)計(jì)如表1所列。

　　配料過程由鍵盤操作來啟動(dòng)（使“允許配料”標(biāo)志＝1），以后各次配料操作由前一次配料的狀態(tài)5來啟動(dòng)，直到完成預(yù)定的配料次數(shù)。

　　從表1中可以看出，所有的“照看”操作都是由“判斷－分支”結(jié)構(gòu)組成，操作時(shí)間也很短，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 小結(jié) 

　　　　　　　　 

　　注：當(dāng)狀態(tài)變量的值為5時(shí)，為了同步和避免重復(fù)計(jì)算配料次數(shù)，只有料斗1執(zhí)行指定的操作，其他料斗均不進(jìn)行任何操作，直接結(jié)束照看。

　　在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是首選設(shè)計(jì)方案;但在中低檔系統(tǒng)中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和降低成本，利用本文介紹的方法，基于裸機(jī)編程同樣可以滿足要求。在中低檔系統(tǒng)占有很大比例的產(chǎn)品市場(chǎng)中，本文介紹的編程方法對(duì)降低成本和提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力顯然是有幫助的。

　　　　　　　　　　　　　　　　參考文獻(xiàn)

1 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù).修訂版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002
2 周航慈.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ).修訂版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003
3 ShemTov Levi & Ashok K Agrawala. RealTime System Design. McGrawHill Publishing Company,1990