改進型時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)編程模式

摘要：對于成本敏感的嵌入式系統(tǒng)，通常因為資源有限而難以采用搶先式實時多任務操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)的基于超級循環(huán)的前后臺編程方法和基于時間觸發(fā)的合作式多任務編程方法對任務的劃分需要較高的技巧。本文通過對基于時間觸發(fā)合作式調度器的改進，建立了一種適用于小型嵌入式系統(tǒng)的通用編程模式，使這類系統(tǒng)的編程變得清晰、簡單。
關鍵詞：時間觸發(fā)；合作式調度器；多任務；嵌入式系統(tǒng)；單片機

引言
目前，RTOS特別是搶先式RTOS在嵌入式系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，但是還有很大一部分產(chǎn)品使用是小型單片機。這些系統(tǒng)由于成本的限制，通常資源非常有限，比如ROM往往小丁32 KB，RAM小于2 KB，由于RTOS對每個任務都要開辟單獨內存區(qū)域，存放任務的上下文和各任務獨立的堆棧，所以在這種系統(tǒng)中使用RTOS非常勉強。對于這些低成本資源受限系統(tǒng)通常采用“前后臺”(或者叫“超級循環(huán)”)結構進行編程，這實際上是一種事件觸發(fā)的編程模式，當中斷數(shù)目較多且系統(tǒng)完成的功能相對復雜時，就會使系統(tǒng)的程序編寫變得非常復雜并使系統(tǒng)運行的可預測性迅速下降。
針對這個問題，Michael J．Pont提出了一種“基于時間觸發(fā)的編程模式”，這種方法有助于降低CPU的負荷并減少存儲器的使用量，提高系統(tǒng)行為的可預測性，并使程序的結構變得簡潔。但是在實際使用中，當系統(tǒng)中不同的任務對時間要求差異較大時，“基于時間觸發(fā)的編程模式”難以給出簡單有效的解決方案。為此，對“基于時間觸發(fā)的編程模式”進行了改進，使之適應性更強，可以為成本和資源受限的小型嵌入式系統(tǒng)提供統(tǒng)一且有效的編程模式。

1 傳統(tǒng)編程結構的局限性
當不使用RTOS時，嵌入式軟件通常采用兩種傳統(tǒng)的編程結構進行編程，一種叫“前后臺廳式”或者叫“超級循環(huán)結構”，本質上是事件觸發(fā)的編程方式；另一種叫時間觸發(fā)編程模式，Michael J．Pont的“基于時間觸發(fā)的編程模式”即屬于此。
在實際工作中，當系統(tǒng)稍微復雜時，會發(fā)現(xiàn)這兩種方式都有一定局限性，下面以一個實際產(chǎn)品設計中遇到的問題為例來說明。在設計一個用于配電柜的壁裝式智能配電儀表時，CPU的程序設計需完成以下任務：
①每半秒對前顯示屏的顯示數(shù)據(jù)進行一次刷新。
②每0．1 s對DI／DO進行一次刷新。
③每0．2 s對鍵盤進行一次掃描。
④每半秒對測量數(shù)據(jù)進行一次重新采集和計算。
⑤異步串行口與上位機使用Modhus通信，速率最高1 9 200 bps。
⑥CPU通過I2C總線與時鐘芯片和EEPROM通信。
⑦CPU通過SPI總線與LED數(shù)碼管及采集芯片通信。
⑧CPU要對所采集的6路信號進行FFT變換。
⑨當系統(tǒng)掉電時，CPU要能快速響應，把當前的電度底數(shù)寫入EEPROM中。
上述任務中，任務⑤和任務⑨是強實時性的，如果對串口的收發(fā)事件得不到及時響應，接收時會導致字節(jié)丟失，發(fā)送時會導致字節(jié)間時間間隔太大，造成接收方的Modbus幀定界錯誤，對系統(tǒng)掉電事件如果不能及時響應會造成EEPROM的寫入失敗。其他任務只要在指定的周期內能得到執(zhí)行就行，但是任務⑧比較特殊，使用通常的8位CPU進行6種信號的FFT變換，哪怕每種信號只做128點的FFT，運算一次也要好幾秒。下面來看用傳統(tǒng)編程結構實現(xiàn)上述設計時遇到的困擾。
1．1 使用“前后臺方式”進行編程
使用“前后臺方式”進行編程時，為保證任務⑤的及時性，使用了UART中斷，當UART完成一個字節(jié)的收發(fā)后產(chǎn)生中斷，在中斷程序中將接收到的字符保存在接收緩沖區(qū)或從發(fā)送緩沖區(qū)取下一個待發(fā)字符裝入UART進行發(fā)送，對Modbus協(xié)議的處理可以單獨用一個任務在中斷外處理，這保證了巾斷程序的簡短。為保證任務⑨響應的及時性，也必須為它安排一個中斷。因為當系統(tǒng)掉電時，系統(tǒng)只有不到10 ms的過渡時間，系統(tǒng)如果不能在這個時間內完成相關的操作，系統(tǒng)電壓將跌落至有效電壓以下而喪失工作能力。
安排好了后臺的中斷任務后再來看看前臺的任務如何完成。這里遇到的最大的挑戰(zhàn)是對任務⑧的處理，因為任務⑧需要的執(zhí)行時間太長了，簡單的把它當成一個任務處理將影響系統(tǒng)對其他任務的響應，在超級循環(huán)中的代碼結構如下：
while(1){
任務①；
任務②；
……
任務⑧；
}