?? ——利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)程序.htm
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<TD align=middle height=31><FONT size=4><B>利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)程序
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<TD align=middle height=15>文章作者：楚育軍 劉守印<BR>文章類(lèi)型：設(shè)計(jì)應(yīng)用
文章加入時(shí)間：2003年5月9日1:19</TD></TR>
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<TD align=right><FONT color=#cc0000>文章出處：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用</FONT> </TD></TR>
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<P class=MsoNormal><SPAN
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<B>摘要：</B></SPAN>嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用日益復(fù)雜化，傳統(tǒng)的前臺(tái)/后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足需求，目前更多地采用搶占式實(shí)時(shí)內(nèi)核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)內(nèi)核為多任務(wù)應(yīng)用程序提供最基本和最重要的服務(wù)。本文介紹實(shí)時(shí)內(nèi)核和多任務(wù)，并提出利用實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)功能合理構(gòu)成任務(wù)的方法。</P>
<P class=MsoNormal><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋體; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">
<B>關(guān)鍵詞：</B></SPAN>實(shí)時(shí)內(nèi)核 多任務(wù) 任務(wù)構(gòu)造 嵌入式系統(tǒng)</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛使用，傳統(tǒng)的前臺(tái)/后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜和多樣化的嵌入式應(yīng)用需求，因而常常采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核（簡(jiǎn)稱(chēng)實(shí)時(shí)內(nèi)核）開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)多任務(wù)程序。嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核提供多任務(wù)、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信和同步、內(nèi)存管理等重要服務(wù)，使嵌入式應(yīng)用程序容易設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。內(nèi)核是管理微處理器或者微控制器時(shí)間的軟件，確保所有時(shí)間關(guān)鍵的事件盡可能高效地得到處理；允許將系統(tǒng)分成多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)處理程序的一部分，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>一、非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核</B></P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">實(shí)時(shí)內(nèi)核分為兩種：非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核。這兩種內(nèi)核都由中斷服務(wù)例程（ISR）處理異步事件。在非搶占式內(nèi)核中，一個(gè)ISR使優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)就緒，并不立即將CPU控制權(quán)交給優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，而是返回到被中斷的當(dāng)前任務(wù)。只有當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行某種操作明確放棄CPU時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的新任務(wù)才得到CPU控制權(quán)。非搶占式內(nèi)核對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)時(shí)間不確定，因而極少在實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用。圖1所示為非搶占式內(nèi)核程序流程：①低優(yōu)先級(jí)任務(wù)（LPT）執(zhí)行；②低優(yōu)先級(jí)任務(wù)被中斷；③執(zhí)行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（HPT）就緒；<IMG
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align=right vspace=1
border=0>④中斷服務(wù)例程返回到被中斷的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)；⑤低優(yōu)先級(jí)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行；⑥低優(yōu)先級(jí)任務(wù)放棄CPU；⑦高優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">目前在大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用中，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求很高，因此采用搶占式內(nèi)核確保時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)最先執(zhí)行，使優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)總是最先得到CPU控制權(quán)。優(yōu)先級(jí)低的當(dāng)前任務(wù)能夠被優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)搶占，暫時(shí)掛起執(zhí)行，將CPU控制權(quán)交給優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)。圖2所示為搶占式內(nèi)核程序流程：①低優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行；②異步事件使任務(wù)中斷；③響應(yīng)異步事件，運(yùn)行中斷服務(wù)例程，使高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒；④中斷服務(wù)例程返回到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)；⑤高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行，直到它被中斷轉(zhuǎn)向執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)；⑥高優(yōu)先級(jí)任務(wù)結(jié)束，內(nèi)核切換到低優(yōu)先級(jí)任務(wù)；⑦低優(yōu)先級(jí)任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>二、多任務(wù)</B></P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)程序，要根據(jù)明確的設(shè)計(jì)目的確認(rèn)系統(tǒng)功能，將系統(tǒng)功能合理分解，構(gòu)造不同的任務(wù)，使每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)完成應(yīng)用要求的一部分功能；并根據(jù)任務(wù)相對(duì)于其他任務(wù)的重要性決定其優(yōu)先級(jí)。多個(gè)任務(wù)彼此獨(dú)立運(yùn)行，具有獨(dú)立的私有堆棧空間，在被其他進(jìn)程搶占時(shí)能夠保持任務(wù)執(zhí)行線程的上下文。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">1.任務(wù)</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">任務(wù)是單線程序列指令形成的一個(gè)無(wú)限循環(huán)，在系統(tǒng)程序中用函數(shù)表示（如下）。任務(wù)執(zhí)行時(shí)要調(diào)用內(nèi)核提供的服務(wù)，以等待某個(gè)事件發(fā)生。事件可以是定時(shí)間，或者是另一個(gè)任務(wù)、一個(gè)中斷服務(wù)例程發(fā)出事件通知。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">Void Task (void)</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">{</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">While (true) {</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">Run Application-specific codes;</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">Wait for event by calling a service
provided by the kernel;</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">Run Application - specific codes;</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">}</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">}</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">2.任務(wù)管理</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">每個(gè)任務(wù)有5種狀態(tài)；休眠、就緒、運(yùn)行、等待、中斷。圖3所示為任務(wù)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲(chǔ)器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準(zhǔn)備執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，沒(méi)有得到CPU控制權(quán)；任務(wù)得到CPU控制權(quán)后就處于運(yùn)行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務(wù)處于等待狀態(tài)，事件可以是I/O操作完成、<IMG
height=268 hspace=1 src="——利用實(shí)時(shí)內(nèi)核開(kāi)發(fā)嵌入式多任務(wù)程序.files/3b.gif" width=309
align=right vspace=1
border=0>共享資源可以利用、時(shí)鐘脈沖發(fā)生等；任務(wù)執(zhí)行過(guò)程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">實(shí)時(shí)內(nèi)核通過(guò)任務(wù)控制塊（TCB）管理任務(wù)。TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括任務(wù)的狀態(tài)、優(yōu)先、指向任務(wù)棧頂?shù)闹羔槨⒁约捌渌c內(nèi)核有關(guān)的信息。程序調(diào)用內(nèi)核服務(wù)（如調(diào)用內(nèi)核函數(shù)OSTaskCreate）創(chuàng)建任務(wù)，為此任務(wù)在內(nèi)存中分配一個(gè)TCB、進(jìn)行初始化，使任務(wù)從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)變到就緒狀態(tài)。任務(wù)可以在多任務(wù)執(zhí)行之前靜態(tài)創(chuàng)建，也可以在多任務(wù)執(zhí)行過(guò)程動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">內(nèi)核為實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用程序提供任務(wù)調(diào)度和轉(zhuǎn)換、任務(wù)間通信、定時(shí)順等服務(wù)，并作為系統(tǒng)調(diào)用提供給任務(wù)使用。實(shí)時(shí)內(nèi)核以事件為基礎(chǔ)、根據(jù)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)對(duì)任務(wù)進(jìn)行切換，任務(wù)的狀態(tài)也隨之相應(yīng)改變。在實(shí)時(shí)多任務(wù)程序中，內(nèi)存中存在多個(gè)任務(wù)控制塊以及各個(gè)任務(wù)獨(dú)立的私有堆棧。進(jìn)行任務(wù)切換首先要保存CPU寄存器內(nèi)容到當(dāng)前任務(wù)堆棧，將堆棧指針保存到當(dāng)前任務(wù)的TCB中，然后從新任務(wù)的TCB中裝載堆棧指針，并將新任務(wù)上下文裝載到CPU寄存器中。這樣就從一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。任務(wù)使用這時(shí)內(nèi)核提供的定時(shí)器系統(tǒng)調(diào)用，可以保持休眠狀態(tài)一段時(shí)間，或者等待一段時(shí)間后成為就緒狀態(tài)。在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，外部中斷事件產(chǎn)生的任務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)，因而以搶占方式獲得CPU控制權(quán)。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>三、任務(wù)構(gòu)造</B></P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">1.I/O任務(wù)構(gòu)造</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">根據(jù)3種不同的I/O事件；中斷驅(qū)動(dòng)事件、輪詢(xún)事件、輸出事件來(lái)構(gòu)造I/O任務(wù)。輪詢(xún)事件通常由1個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)內(nèi)核以固定周期對(duì)此任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，輸出事件常被設(shè)計(jì)為可重入程序而不是任務(wù)；中斷驅(qū)動(dòng)事件是一類(lèi)典型的異步事件。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">下面將以1個(gè)簡(jiǎn)單的串行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)說(shuō)明I/O分解，突出I/O任務(wù)構(gòu)造的重要特征。此設(shè)備分配得到1個(gè)中斷向量，在3種情況下產(chǎn)生中斷：接收到字符、輸出就緒、設(shè)備出錯(cuò)。因?yàn)椴捎脫屨际絻?nèi)核，在I/O中斷發(fā)生進(jìn)入中斷處理例程以后，程序要保存處理器狀態(tài)，并根據(jù)不同的中斷原因進(jìn)行任務(wù)調(diào)度；在中斷處理完成退出中斷處理例程之前，還要恢復(fù)處理器狀態(tài)。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">設(shè)備中斷處理：</P>
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