嵌入式智能儀表自動控制技術

本文根據(jù)智能儀表對嵌入式操作系統(tǒng)的特殊要求設計了一種新的任務調(diào)度算法，并實現(xiàn)了一個應用于中低端儀器儀表的嵌入式微調(diào)度器。

1、實時任務調(diào)度的一般方法和策略

在實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)把應用分為行為可以預知的、功能確定的多個任務。每個任務一般處于3種狀態(tài)：執(zhí)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)(有的操作系統(tǒng)還具有掛起和休眠狀態(tài))。為了滿足實時性要求，系統(tǒng)根據(jù)一定的原則選擇合適的任務執(zhí)行。

常見的任務調(diào)度算法分為靜態(tài)算和動態(tài)算法兩類：

① 靜態(tài)算法：在系統(tǒng)在運行前(即系統(tǒng)初始化階段)，就為所有的任務分配固定的優(yōu)先級別，在系統(tǒng)執(zhí)行過程中優(yōu)先級保持不變。當一個事件發(fā)生時，調(diào)度程序只需要查就緒表，就可以調(diào)度哪個任務處于運行狀態(tài)。

② 動態(tài)算法：在系統(tǒng)初始化時初步分配一個優(yōu)先級。每一個任務在運行時可以改變它的優(yōu)先級。當前的嵌入式操作系統(tǒng)一般采用靜態(tài)算法，只在處理優(yōu)先級反轉(zhuǎn)時臨時采用動態(tài)優(yōu)先級算法。

2、儀器儀表對調(diào)度算法的要求

為了提高儀表的可靠性，實現(xiàn)高性能、多功能應用，應用于智能儀表的調(diào)度器必須滿足以下要求：

①良好的實時性。智能儀表必須實時地對通過現(xiàn)場總線采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字編碼，通過人機界面進行顯示，并把用戶對被監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設置實時地傳送給執(zhí)行部件。

② 基于優(yōu)先級的任務調(diào)度策略。在復雜的大規(guī)模應用中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，對其數(shù)據(jù)顯示和傳輸控制需要通過不同優(yōu)先級的任務來控制。

③ 低消耗要求。隨著應用環(huán)境的復雜化，對智能儀表的計算能力要求越來越高，勢必要求調(diào)度器必須占用較少的系統(tǒng)資源。

④ 低成本要求。為了降低成本，在硬件設計上，存儲器的大小是成本控制的一個方面。因此，要求提供的調(diào)度器必須具備小內(nèi)核以減小存儲空間。此外，還要求調(diào)度器必須有精確定時的功能，也就是事件驅(qū)動和時鐘驅(qū)動相結合，以滿足智能儀表中周期性任務執(zhí)行和突發(fā)性任務執(zhí)行的需要。

3、嵌入式微調(diào)度器的設計與實現(xiàn)

根據(jù)智能儀表對調(diào)度算法實時性、多任務、低消耗的要求，本文提出了一種新的靜態(tài)優(yōu)先級，單任務隊列、具有4種任務狀態(tài)的非搶占式調(diào)度的輕量級任務調(diào)度算法，并根據(jù)這種算法實現(xiàn)了應用于智能儀表的調(diào)度器。該算法的特點是以任務在任務控制塊數(shù)組中的相對位置表示優(yōu)先級高低，任務的狀態(tài)和延時量使用統(tǒng)一的任務狀態(tài)字，在少量任務的輕量級應用中具有很好的時間和空間性能。

3.1 任務的狀態(tài)

在本調(diào)度器中任務有4種狀態(tài)：就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)和掛起狀態(tài)。內(nèi)存中的任務必須處于這4種狀態(tài)之一。

就緒狀態(tài)：指任務運行的時間條件和資源條件都滿足，等待調(diào)度算法選擇最合適的任務進入就緒狀態(tài)。任務一旦建立就處于就緒狀態(tài)，這一點和μC/0S-II相同。

運行狀態(tài)：是當前時刻任務占有CPU資源正在運行的狀態(tài)。本調(diào)度算法選擇進入就緒任務隊列中優(yōu)先級最高的任務運行。任何時刻只能有一個任務處于運行狀態(tài)。

等待狀態(tài)：如果任務需要等待一段時間才能運行，那么這個任務當前處于等待狀態(tài)。使任務延遲一段時間可通過調(diào)用0s_TasK_Delay()函數(shù)實現(xiàn)。調(diào)度器在每個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍檢查任務延遲時間，一旦任務定義的延遲時間到，就使任務進入就緒狀態(tài)。

掛起狀態(tài)：正在運行的任務需要等待某一事件的發(fā)生，如果該事件沒有發(fā)生那么任務就處于掛起狀態(tài)。事件的發(fā)生可能來自另外一個任務，也可能來自中斷服務程序。

除此之外，系統(tǒng)還可能處在中斷服務狀態(tài)。這是一種特殊的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)響應中斷時，正在執(zhí)行的任務被掛起，中斷服務程序控制了CPU的使用權，系統(tǒng)就進入中斷服務狀態(tài)。

其中，空閑任務優(yōu)先級最低，而且永遠處于就緒狀態(tài)，而且當所有的任務都在等待事件發(fā)生或者延遲時間結束時，操作系統(tǒng)就會執(zhí)行空閑任務。

3.2 調(diào)度器核心數(shù)據(jù)結構

3.2.1 任務控制塊和任務控制塊列表

任務控制塊由任務堆棧、任務入口地址、任務狀態(tài)字和任務優(yōu)先級4個部分組成。任務堆棧用于保護被中斷的現(xiàn)場數(shù)據(jù);任務入口地址是指向任務程序的指針，用于指定任務所進行的操作;任務狀態(tài)字用來表示任務當前的狀態(tài)和延遲的時間間隔;任務優(yōu)先級表示就緒列表中的哪個任務可以優(yōu)先進入運行狀態(tài)。在整個調(diào)度過程中使用一個全局的任務控制塊數(shù)組來表示任務控制塊列表。每個任務使用唯一一個任務控制塊表示，任務的優(yōu)先級通過任務控制塊在任務控制塊數(shù)組中的相對位置來表示。每個任務有且僅有一個優(yōu)先級，所以任務的優(yōu)先級也可以用任務的ID號來表示。任務控制塊結構如下：

typedef STruct{ //tsk_tcb結構定義

pStack stack; //tsk_tcb堆棧入口

pTAsK task; //tsk_tcb指向的任務

U8 state; //tsk.tcb任務目前的狀態(tài)

U8 prior; //任務優(yōu)先級

｝TCB;

3.2.2 任務調(diào)度算法及實現(xiàn)

這種算法已在16位單片機Motorola MC9S12DP256B和8位單片機AT89C52上實現(xiàn)。一些與硬件相關的算法，主要給出在MC9S12DP256B上的算法實現(xiàn)。

①建立任務Os-Task-Create()算法。任務創(chuàng)建函數(shù)代碼如下：

void 0s_Task_Create(0S_STACK*task_stack，

uW0rd task_id，pTASK task_func){

os_tcb[task_id].task=task_func;

os_tcb[task_id].stack=task_stack;

os_tcb[task_id].prior=task_id;

｝

該程序表示了系統(tǒng)建立任務的過程。如上節(jié)所述每個任務對應一個優(yōu)先級，所以任務ID也可表示任務的優(yōu)先級。建立任務的過程就是，把任務控制塊數(shù)組的任務入口地址對應ID(即任務優(yōu)先級)的任務控制塊的任務入口地址指向任務函數(shù)的地址，并初始化該任務的任務堆棧。

② 任務調(diào)度算法的功能是找到當前就緒列表中優(yōu)先級最高的任務，并把這個任務切換到運行狀態(tài)。在任務控制塊列表中使用任務在列表中的相對位置表示優(yōu)先級的高低，并不需要實際地對任務優(yōu)先級進行比較。算法流程如圖1所示。

從任務控制塊隊列的頭部(即任務優(yōu)先級為O的任務)開始依次檢查任務就緒標志(os_tcb.state)，如果當前任務標志≠1，表示當前任務為非就緒狀態(tài)，繼續(xù)檢查下一優(yōu)先級的任務。如果當前任務標志為1，則找到最高優(yōu)先級任務退出循環(huán)，調(diào)用任務調(diào)度函數(shù)進行任務狀態(tài)切換。