在基于實(shí)時(shí)操作系統(RTOS，RealTime Operating System)的單片機應用軟件設計中，“任務(wù)”是一個(gè)很重要的概念。有專(zhuān)家指出，把一個(gè)應用系統分為多少個(gè)任務(wù)且定義每一個(gè)任務(wù)各負責什么事情，這是一門(mén)藝術(shù)。
對于任務(wù)的劃分，并沒(méi)有一個(gè)人人都要遵守的規則，不同的人來(lái)設計一個(gè)同樣規格要求的系統，會(huì )有不同的方案。然而，到目前為止，很難看到有關(guān)論文對任務(wù)劃分的方法有比較詳細而系統的介紹。本文將深入研究劃分任務(wù)的方法，并在此基礎上，從實(shí)用的角度給出編寫(xiě)基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統的應用軟件的指導方針。
1、任務(wù)的概念和應用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程
在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統開(kāi)發(fā)中，用C語(yǔ)言代碼表示的任務(wù)是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)程序。任務(wù)不能有返回，不能有退出出口，但是任務(wù)可以被殺死，包括被別的任務(wù)殺死或自殺。任務(wù)的概念與操作系統中的進(jìn)程概念相同，一個(gè)任務(wù)是獨立的執行進(jìn)程，可以與其他的并發(fā)任務(wù)競爭CPU時(shí)間。
基于RTOS的單片機應用軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程：首先是根據系統設計方案明確應用軟件的功能，然后結合RTOS的并發(fā)特性(或準并發(fā)特性)，對應用軟件要實(shí)現的功能進(jìn)行大小適當的劃分，也就是把應用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個(gè)任務(wù)模塊，并對各個(gè)任務(wù)間的通信和時(shí)延進(jìn)行仔細的確認。
2、任務(wù)劃分的原則
任務(wù)劃分有3個(gè)原則，分別介紹如下。
2.1 原則1
原則1是將同一個(gè)外設的訪(fǎng)問(wèn)放在一個(gè)任務(wù)中。
對每個(gè)獨立的硬件(例如串行通信端口)進(jìn)行操作的驅動(dòng)程序段放在一個(gè)任務(wù)中。也就是說(shuō)，要想對某個(gè)設備資源進(jìn)行操作，只有依靠執行相應的任務(wù)來(lái)實(shí)現。這樣無(wú)論何時(shí)切換任務(wù)，都不會(huì )對任何獨立的“外設”造成影響。
這樣做能夠避免嵌入式操作系統的特殊問(wèn)題——資源沖突和重入問(wèn)題，而且利于系統維護與升級。各個(gè)任務(wù)之間要實(shí)現通信，可以調用os_send_signal函數及全局變量來(lái)實(shí)現。
所謂“資源沖突”，就是任務(wù)A在訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)資源時(shí)，恰好發(fā)生了任務(wù)切換——由任務(wù)A切換到任務(wù)B，任務(wù)B也訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)資源且改變了它的狀態(tài)，這樣當再次執行任務(wù)A時(shí)，就可能發(fā)生沖突或帶來(lái)不確定性。而所謂“重入”，是指假設任務(wù)A在運行某個(gè)函數，發(fā)生任務(wù)切換后，任務(wù)B也運行這個(gè)函數，這樣就會(huì )破壞任務(wù)A執行這個(gè)函數時(shí)的現場(chǎng)，從而可能導致任務(wù)A執行函數時(shí)結果不正確。這種問(wèn)題尤其容易出現在串行接口器件的操作中，例如串口，串行的AD、DA器件等。
2.2 原則2
原則2是要通過(guò)任務(wù)分割提高系統的實(shí)時(shí)性。
在嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)系統中，任務(wù)是指一個(gè)程序分段。這個(gè)程序分段被操作系統當作一個(gè)基本單元來(lái)調度。典型地，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)。
RTOS本質(zhì)上就是嵌入的實(shí)時(shí)內核，它負責管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)是為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負責任務(wù)之間的通信。實(shí)時(shí)內核可分為可剝奪型和不可剝奪型兩類(lèi)。因此，按照所使用內核的不同，嵌入式實(shí)時(shí)系統也可分為兩類(lèi)：使用不可剝奪型內核的嵌入式實(shí)時(shí)系統和使用可剝奪型內核的嵌入式實(shí)時(shí)系統。
2.2.1 長(cháng)任務(wù)的定義
在RTOS中，長(cháng)任務(wù)就是指整個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間較長(cháng)，超出了RTOS中其他某一個(gè)或某幾個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)要求容限，而對整個(gè)RTOS的實(shí)時(shí)性構成威脅的那些任務(wù)。需要注意的是，長(cháng)任務(wù)與復雜任務(wù)不能混淆，復雜任務(wù)的執行時(shí)間不一定長(cháng)，簡(jiǎn)單任務(wù)也可能會(huì )構成長(cháng)任務(wù)。
2.2.2 長(cháng)任務(wù)對RTOS的影響
當使用可剝奪型實(shí)時(shí)內核時(shí)，長(cháng)任務(wù)由于執行的時(shí)間較長(cháng)，因而更容易被高優(yōu)先級的任務(wù)打斷；一旦高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當前任務(wù)的CPU使用權就被剝奪了，或者說(shuō)任務(wù)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權。這樣會(huì )出現兩個(gè)問(wèn)題：一是長(cháng)任務(wù)可能在一次執行的過(guò)程中被頻繁打斷，長(cháng)時(shí)間得不到一次完整的執行；二是長(cháng)任務(wù)被打斷時(shí)，可能要保存大量的現場(chǎng)信息，其目的是為了保證在高優(yōu)先級任務(wù)執行完返回后，長(cháng)任務(wù)能得以繼續執行。然而，這樣做要占用一定的系統資源，同時(shí)保存現場(chǎng)本身也是要占用CPU時(shí)間的，因此，實(shí)時(shí)性也會(huì )下降。
當使用不可剝奪型實(shí)時(shí)內核時(shí)，長(cháng)任務(wù)對RTOS的影響更為明顯，因為在這種內核中，任務(wù)的響應時(shí)間取決于最長(cháng)的任務(wù)執行時(shí)間。也就是說(shuō)，由于長(cháng)任務(wù)的存在，任務(wù)的響應時(shí)間要變長(cháng)。其結果是CPU長(cháng)時(shí)間停留在長(cháng)任務(wù)中，其他任務(wù)得不到實(shí)時(shí)的響應，甚至根本得不到執行，系統的實(shí)時(shí)性勢必要下降。
總之，無(wú)論是使用可剝奪型內核，還是使用不可剝奪型內核，長(cháng)任務(wù)都會(huì )對RTOS構成嚴重的威脅。
2.2.3 長(cháng)任務(wù)問(wèn)題的解決方法
解決長(cháng)任務(wù)問(wèn)題最有效的途徑是進(jìn)行任務(wù)分割。所謂“任務(wù)分割”是指將影響系統實(shí)時(shí)性的長(cháng)任務(wù)分割成若干個(gè)小任務(wù)。這樣單個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間變短，系統的任務(wù)響應時(shí)間變短，實(shí)時(shí)性得以提高。
（1）對任務(wù)的分析與計算
當然，長(cháng)任務(wù)的分割必須結合系統中所使用的內核，以及各任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求等情況，進(jìn)行必要的分析與計算，才能保證分割的合理性和有效性，具體的步驟如下。
?、?分析系統共有多少個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求有多高，求出各個(gè)任務(wù)所要求的最低執行頻率(f1，f2，…，fn)。
?、?計算目前各任務(wù)的實(shí)際執行時(shí)間(t1，t2，…，tn)
?、?確定系統中的長(cháng)任務(wù)。如果max(t1，t2，…，tn)≤min(1f1，1f2，…，1fn)，則此系統中不存在長(cháng)任務(wù)。如果max(t1，t2，…，tn)＞min(1f1，1f2，…，1fn)，則存在長(cháng)任務(wù)，而且執行時(shí)間為max(t1，t2，…，tn)的那個(gè)任務(wù)就是要找的長(cháng)任務(wù)。
?、?分析此長(cháng)任務(wù)是否需要分割，分析一下是什么原因導致執行的時(shí)間過(guò)長(cháng)，這個(gè)時(shí)間是否能夠通過(guò)程序的優(yōu)化來(lái)縮短？如果能，則不需要進(jìn)行任務(wù)分割；否則，要對這個(gè)長(cháng)任務(wù)進(jìn)行分割。
?。?）實(shí)施長(cháng)任務(wù)分割
常用的任務(wù)分割的方法有以下兩種：
?、?將長(cháng)任務(wù)按功能分為若干個(gè)小模塊，每一個(gè)模塊構成一個(gè)小任務(wù)，每個(gè)小任
務(wù)實(shí)現一種相對獨立的功能，且要保證執行時(shí)間tmin(1f1，1f2，…，1fn)。各個(gè)小任務(wù)被內核順序調用，合起來(lái)實(shí)現長(cháng)任務(wù)功能。
本文將深入研究劃分任務(wù)的方法，并在此基礎上，從實(shí)用的角度給出編寫(xiě)基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統的應用軟件的指導方針。
?、?有的長(cháng)任務(wù)比較特殊，例如鍵盤(pán)任務(wù)和動(dòng)態(tài)LED數碼管顯示任務(wù)，很難按照上面的方法把它分成若干個(gè)功能相對獨立的小模塊。這時(shí)，一般是按照方便保存現場(chǎng)信息的原則，將其強制分割成若干個(gè)小任務(wù)，每個(gè)小任務(wù)在min(1f1，1f2，…，1fn)時(shí)間內主動(dòng)保存現場(chǎng)信息、放棄CPU的控制權，等到再次被內核調度時(shí)繼續執行。這種分割方法相對而言較復雜，各任務(wù)之間界限不是很明顯，看似未經(jīng)分割，但實(shí)際上它卻是由多次任務(wù)中斷來(lái)完成的。
2.3 原則3
原則3是要將軟件工程中的“解耦原則”用于任務(wù)劃分。
可以采用軟件工程中的解耦原則對應用程序進(jìn)行任務(wù)的劃分。任務(wù)之間的耦合是影響軟件復雜程度的一個(gè)重要因素，應該采取下述設計原則：盡量使用數據耦合，少用控制耦合和特征耦合，限制公共環(huán)境耦合的范圍，完全不用內容耦合。具體方法可參見(jiàn)軟件工程方面的書(shū)籍。
3、基于RTX51 Tiny的應用軟件設計指導
RTX51是一個(gè)德國Keil Software公司開(kāi)發(fā)的用于8051系列單片機的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統[4]。RTX51有2個(gè)不同的版本。
?。?）完全版RTX51 Full
完全版RTX51 Full允許4個(gè)優(yōu)先級的任務(wù)時(shí)間片輪轉調度和搶先式的任務(wù)切換，可以并行地利用中斷功能。信號和信息可以通過(guò)郵箱系統在任務(wù)之間互相傳遞，可以從一個(gè)存儲池中分配和釋放內存，可以強迫一個(gè)任務(wù)等待中斷、超時(shí)以及從另一個(gè)任務(wù)或中斷發(fā)出的信號或信息。
?。?）小型版RTX51 Tiny
小型版RTX51 Tiny是RTX51的一個(gè)子集，它可以很容易地在沒(méi)有任何外部存儲器的單片8051系統上運行。RTX51 Tiny僅支持時(shí)間片輪轉任務(wù)切換和使用信號進(jìn)行任務(wù)切換，不支持搶先式的任務(wù)切換，可以并行地利用中斷功能，可以強迫一個(gè)任務(wù)等待中斷、超時(shí)以及從另一個(gè)任務(wù)或中斷發(fā)出的信號，不能進(jìn)行信息處理，也不支持存儲器分配或釋放。RTX51 Tiny是一種不可剝奪型實(shí)時(shí)操作系統內核。
基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統的單片機應用軟件設計，首先應該根據RTX51 Tiny操作系統的準并發(fā)特性，對應用軟件要實(shí)現的功能進(jìn)行大小適當的劃分——按照上述3個(gè)原則劃分為若干個(gè)任務(wù)模塊，并對各個(gè)任務(wù)間的通信和時(shí)延進(jìn)行仔細的確認。
編寫(xiě)基于RTX51 Tiny的應用軟件的指導方針如下：
?、?包含頭文件rtx51tny.h在應用程序中。
?、?不要寫(xiě)C語(yǔ)言主函數main()。RTX51 Tiny操作系統內核中已經(jīng)有它自己的主函數main()。
?、?應用程序應該至少包括1個(gè)任務(wù)函數(task function)。
?、?RTX51 Tiny應用程序必須中斷使能(EA=1)，因為RTX51 Tiny操作系統使用了定時(shí)器T0中斷。
?、?應用程序至少調用1個(gè)RTX51 Tiny系統函數(如os_wait)；否則，鏈接器將不會(huì )把RTX51 Tiny的系統庫包含到應用程序中。
?、?任務(wù)task0是應用程序中第一個(gè)執行的函數。在任務(wù)task 0中，必須調用os_create_task函數來(lái)運行其他任務(wù)。
?、?任務(wù)task函數不必退出或返回。任務(wù)task必須使用一個(gè)while(1)結構或其他類(lèi)似的結構。任務(wù)task函數不帶參數，也沒(méi)有返回值。使用系統函數os_delete_task掛起(halt)一個(gè)運行的任務(wù)。
⑧ 中斷服務(wù)程序的編寫(xiě)方式，與不使用RTX51 Tiny操作系統下的編寫(xiě)方式相同。
?、?編譯和鏈接應用程序有2種途徑，一種是使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境μVision 2 IDE，另一種是使用命令行工具CommandLine Tools。一般采用德國Keil Software公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE。
利用Keil Software公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE，創(chuàng )建RTX51 Tiny應用程序的開(kāi)始的步驟如下：
?、?運行Keil Software公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE。
?、?運行菜單命令Project→Options for Target‘Target 1’，打開(kāi)Target對話(huà)框，并在對話(huà)框中選擇Target選項卡。
?、?從Operating system下拉列表框中選擇RTX51 Tiny，如圖1所示。
圖1 選擇RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統
4、結論
本文給出了劃分任務(wù)的3個(gè)原則，分別是“對同一個(gè)外設的訪(fǎng)問(wèn)放在一個(gè)任務(wù)中”、“通過(guò)任務(wù)分割提高系統的實(shí)時(shí)性”和“軟件工程中的‘解耦原則’用于任務(wù)的劃分”。實(shí)踐證明，這些任務(wù)劃分的原則是行之有效的。另外，從實(shí)用的角度給出了編寫(xiě)基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統應用軟件的指導方針。實(shí)際上，RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統對目標系統的硬件需求是很低的，隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，能夠運行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的單片機芯片是很容易采購得到的。
人們越來(lái)越清楚地認識到，在嵌入式系統設計中引入實(shí)時(shí)操作系統的必要性。在許多嵌入式系統中，不但要求系統能夠及時(shí)響應隨機發(fā)生的外部事件，并對其作出快速處理，通常還需要同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)，并對每個(gè)任務(wù)作出實(shí)時(shí)響應。實(shí)踐證明，對于這樣的應用，采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統作為應用軟件的設計平臺和運行平臺是一個(gè)良好的選擇。
