嵌人式實時操作系統(tǒng)uC／OS在控制工程中的應(yīng)用

嵌入式實時應(yīng)用領(lǐng)域，過去一般把整個軟件設(shè)計成一個前后臺系統(tǒng)。應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作，這部分是后臺行為；中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分是前臺行為。這對于很簡單的控制是比較適合的。但是在情況比較復(fù)雜的時候，工程師現(xiàn)在傾向于應(yīng)用一個適當?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/操作系統(tǒng)">操作系統(tǒng)來降低系統(tǒng)開發(fā)的難度，使得實時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴展變的容易，不需要大的改動就能增加新的功能。而uC／OS就是一個用于開發(fā)中小型項目比較合適的嵌入式實時操作系統(tǒng)。

1 uC／OS的特點

uC／OS是一個原代碼公開的，可移植性強的實時的多任務(wù)操作系統(tǒng)。其實時內(nèi)核采用占先式調(diào)度策略。這意味著他總是運行就緒條件下的優(yōu)先級最高的任務(wù)。當一個任務(wù)A正在運行時，由于某種原因，一個比他優(yōu)先級更高的任務(wù)B進入了就緒態(tài)，則立即任務(wù)A被掛起，任務(wù)B得到運行。這個原因可能是任務(wù)A本身發(fā)出了信號量激活了任務(wù)B；也有可能是任務(wù)A正在運行時，一個中斷到來了，而中斷服務(wù)子程序使得任務(wù)B進入了就緒態(tài)，那么完成中斷后，任務(wù)B開始運行。

uC／OS的內(nèi)核采用固定優(yōu)先級的調(diào)度方法，所以每一個任務(wù)必須由程序設(shè)計者賦予一個明確的并且與其他任務(wù)不同的優(yōu)先級。如果設(shè)計者希望某個任務(wù)的優(yōu)先級需要根據(jù)時間的推移或條件的變化而發(fā)生改變，那么必須由設(shè)計者自己調(diào)用改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級的函數(shù)OSTaskChangePrio()來實現(xiàn)。例如系統(tǒng)中發(fā)生了一個不影響系統(tǒng)安全的小故障，相應(yīng)的有一個故障報警任務(wù)，剛開始他的優(yōu)先級較低從而總是被高優(yōu)先級任務(wù)占先，所以只能每隔一段較長的時間執(zhí)行一次；隨著時間的推移，如果該故障得不到處理，他的優(yōu)先級可以逐漸提升，直到最后達到最高優(yōu)先級。

如果任務(wù)之間由于有共享資源出現(xiàn)了競爭或者死鎖，是會嚴重影響系統(tǒng)安全的。因此uC／OS對共享資源提供了保護機制。一般情況下使用的是信號量方法。創(chuàng)建一個信號量并對他進行初始化，當一個任務(wù)需要使用一個共享資源時，他必須先申請得到這個信號量。在這個過程中即使有優(yōu)先權(quán)更高的任務(wù)進入了就緒態(tài)，因為無法得到信號量，也不能使用該資源。在uC／OS中稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。簡單地說，就是高優(yōu)先級任務(wù)必須等待低優(yōu)先級任務(wù)的完成。在上述情況下，在2個任務(wù)之間發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是無法避免的。所以在使用uC／OS時，必須對所開發(fā)的系統(tǒng)了解清楚才能選擇對于某種共享資源是否使用信號量。

對于一個比較復(fù)雜的實時系統(tǒng)，并非所有的任務(wù)都至關(guān)重要，而大多是綜合了軟實時和硬實時兩種需求。軟實時系統(tǒng)只是要求系統(tǒng)盡可能執(zhí)行得快，并不要求在某一特定時間內(nèi)完成。硬實時系統(tǒng)中，任務(wù)不但要執(zhí)行無誤，而且要準時完成。因此給定優(yōu)先級是涉及到系統(tǒng)調(diào)度效率的大問題，他又是和具體系統(tǒng)聯(lián)系緊密的一項工作。 2 電梯系統(tǒng)的軟件設(shè)計中的多任務(wù)劃分

在一座高樓里面往往多臺電梯并存，組成一個群控系統(tǒng)。因此各臺電梯軟件系統(tǒng)除了控制本臺電梯的正常運行，還要與其他電梯交換數(shù)據(jù)，以便進行優(yōu)化的調(diào)度，以減少乘客的等待時間并且節(jié)約能源。

特別地，每臺電梯都關(guān)系到人員和設(shè)備安全，其系統(tǒng)可靠性非常重要。雖然其最終的安全保障由一定的硬件設(shè)備來實施，例如在電梯完全失控下墜時，由安全鉗把轎廂卡在軌道上；但是這些措施采用立刻停止電梯運行的方式，給乘客帶來極大的震動和心理的不適，而且對設(shè)備也會造成一定的損傷。因此，軟件系統(tǒng)應(yīng)該在完成正常功能的同時，作為安全的第一道
防線，讓電梯在故障情況下比較緩和的改變速度，減小對人員和設(shè)備的沖擊。

2．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)其硬件架構(gòu)如圖1所示。

m臺電梯采用CAN總線連接，各個主控器是對等的，而且每臺電梯內(nèi)部也是CAN總線。

2．2 軟件設(shè)計

每臺電梯的軟件是一樣的，其軟件系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)先級是：

(1)滿足本機安全 即對于涉及到安全的信號要最快的響應(yīng)； (2)滿足本機的正常控制 即正常控制電梯的操作狀態(tài)和電動機的運轉(zhuǎn)；
(3)盡量及時地響應(yīng)乘客的召喚 這里面有3個決定因素：一是對下位機的通信響應(yīng)及時性；二是多個電梯之間的互相通信的及時性；三是調(diào)度算法的有效性。那么設(shè)計的任務(wù)級別如圖2所示。

這是一個多鏈多任務(wù)系統(tǒng)，而且有幾個任務(wù)是公共任務(wù)。優(yōu)先級的安排是：

在某一個任務(wù)鏈中，最重要的任務(wù)不希望被同一任務(wù)鏈中的其他任務(wù)中斷，所以應(yīng)該設(shè)置為最高優(yōu)先級。

除了公共任務(wù)以外，任務(wù)鏈A中的任何的一個任務(wù)都比B中的任何一個任務(wù)優(yōu)先級高。 不同任務(wù)鏈中的公共任務(wù)的設(shè)置原則是就高不就低。這種設(shè)置保證在優(yōu)先級倒掛的情況下，高級別任務(wù)鏈中的任務(wù)一次運行最多被阻塞一次。

系統(tǒng)的各個任務(wù)具有相對的獨立性。為了增加系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計一個超級任務(wù)用以監(jiān)視幾個重要的任務(wù)。其工作的原理是，在重要任務(wù)比如說TaskX里面增加下列代碼，

TaskX()
{讀定時器的值到全局變量X；
…
全局變量X清0；
延時；
}

uC／OS有一個系統(tǒng)時鐘(一般為10～100Hz)，每次時鐘中斷時就執(zhí)行一定的代碼。而其中的OSTimeTickHook()是預(yù)留給開發(fā)者的。我們可以利用這個函數(shù)來做以下的事情： OSTimeTickHook()
{

if(當前定時器的值一全局變量X>=預(yù)定時間){
處理，
y
y

這樣可以有效地防止系統(tǒng)因為個別任務(wù)內(nèi)部出問題而全面崩潰，其實質(zhì)是一種超時控制。

3 小 結(jié)

利用uC／OS提供的系統(tǒng)特征，可以簡化多任務(wù)程序設(shè)計，滿足多個任務(wù)的時間要求，大大降低了開發(fā)難度，輕松地完成前后臺編程方法難以完成的任務(wù)。同時利用系統(tǒng)的定時中斷，設(shè)計一個超級任務(wù)來對其他任務(wù)進行監(jiān)控，從而也提高了系統(tǒng)的可靠性。當然我們也看到，程序的可讀性和可維護性也提高了。

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