嵌入式應(yīng)用軟件任務(wù)劃分的原則

　在基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS，RealTime Operating System)的單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中，“任務(wù)”是一個(gè)很重要的概念。有專家指出[1]，把一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)分為多少個(gè)任務(wù)且定義每一個(gè)任務(wù)各負(fù)責(zé)什么事情，這是一門藝術(shù)。對(duì)于任務(wù)的劃分，并沒(méi)有一個(gè)人人都要遵守的規(guī)則，不同的人來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)同樣規(guī)格要求的系統(tǒng)，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(duì)任務(wù)劃分的方法有比較詳細(xì)而系統(tǒng)的介紹。本文將深入研究劃分任務(wù)的方法，并在此基礎(chǔ)上，從實(shí)用的角度給出編寫基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的指導(dǎo)方針。

1? 任務(wù)的概念和應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程

　　在嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)開發(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[2]。任務(wù)的概念與操作系統(tǒng)中的進(jìn)程概念相同，一個(gè)任務(wù)是獨(dú)立的執(zhí)行進(jìn)程，可以與其他的并發(fā)任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)CPU時(shí)間。

　　基于RTOS的單片機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)過(guò)程：首先是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案明確應(yīng)用軟件的功能，然后結(jié)合RTOS的并發(fā)特性(或準(zhǔn)并發(fā)特性)，對(duì)應(yīng)用軟件要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大小適當(dāng)?shù)膭澐?，也就是把?yīng)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(duì)各個(gè)任務(wù)間的通信和時(shí)延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。

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(shè)的訪問(wèn)放在一個(gè)任務(wù)中。

　　對(duì)每個(gè)獨(dú)立的硬件(例如串行通信端口)進(jìn)行操作的驅(qū)動(dòng)程序段放在一個(gè)任務(wù)中。也就是說(shuō)，要想對(duì)某個(gè)設(shè)備資源進(jìn)行操作，只有依靠執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣無(wú)論何時(shí)切換任務(wù)，都不會(huì)對(duì)任何獨(dú)立的“外設(shè)”造成影響。

　　這樣做能夠避免嵌入式操作系統(tǒng)的特殊問(wèn)題——資源沖突和重入問(wèn)題，而且利于系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)。各個(gè)任務(wù)之間要實(shí)現(xiàn)通信，可以調(diào)用os_send_signal函數(shù)及全局變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　所謂“資源沖突”，就是任務(wù)A在訪問(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也訪問(wèn)這個(gè)資源且改變了它的狀態(tài)，這樣當(dāng)再次執(zhí)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(shè)任務(wù)A在運(yùn)行某個(gè)函數(shù)，發(fā)生任務(wù)切換后，任務(wù)B也運(yùn)行這個(gè)函數(shù)，這樣就會(huì)破壞任務(wù)A執(zhí)行這個(gè)函數(shù)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)，從而可能導(dǎo)致任務(wù)A執(zhí)行函數(shù)時(shí)結(jié)果不正確。這種問(wèn)題尤其容易出現(xiàn)在串行接口器件的操作中，例如串口，串行的A/D、D/A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(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　在嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)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(tǒng)當(dāng)作一個(gè)基本單元來(lái)調(diào)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(nèi)核，它負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。實(shí)時(shí)內(nèi)核可分為可剝奪型和不可剝奪型兩類。因此，按照所使用內(nèi)核的不同，嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)也可分為兩類：使用不可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)和使用可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2.2.1? 長(zhǎng)任務(wù)的定義

　　在RTOS中，長(zhǎng)任務(wù)就是指整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，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(duì)整個(gè)RTOS的實(shí)時(shí)性構(gòu)成威脅的那些任務(wù)。需要注意的是，長(zhǎng)任務(wù)與復(fù)雜任務(wù)不能混淆，復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不一定長(zhǎng)，簡(jiǎn)單任務(wù)也可能會(huì)構(gòu)成長(zhǎng)任務(wù)。

2.2.2? 長(zhǎng)任務(wù)對(duì)RTOS的影響

　　當(dāng)使用可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核時(shí)，長(zhǎng)任務(wù)由于執(zhí)行的時(shí)間較長(zhǎng)，因而更容易被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)打斷；一旦高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說(shuō)任務(wù)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。這樣會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)任務(wù)可能在一次執(zhí)行的過(guò)程中被頻繁打斷，長(zhǎng)時(shí)間得不到一次完整的執(zhí)行；二是長(zhǎng)任務(wù)被打斷時(shí)，可能要保存大量的現(xiàn)場(chǎng)信息，其目的是為了保證在高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行完返回后，長(zhǎng)任務(wù)能得以繼續(xù)執(zhí)行。然而，這樣做要占用一定的系統(tǒng)資源，同時(shí)保存現(xiàn)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(dāng)使用不可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核時(shí)，長(zhǎng)任務(wù)對(duì)RTOS的影響更為明顯，因?yàn)樵谶@種內(nèi)核中，任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間取決于最長(zhǎng)的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。也就是說(shuō)，由于長(zhǎng)任務(wù)的存在，任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間要變長(zhǎng)。其結(jié)果是CPU長(zhǎng)時(shí)間停留在長(zhǎng)任務(wù)中，其他任務(wù)得不到實(shí)時(shí)的響應(yīng)，甚至根本得不到執(zhí)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性勢(shì)必要下降。

　　總之，無(wú)論是使用可剝奪型內(nèi)核，還是使用不可剝奪型內(nèi)核，長(zhǎng)任務(wù)都會(huì)對(duì)RTOS構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

2.2.3? 長(zhǎng)任務(wù)問(wèn)題的解決方法

　　解決長(zhǎng)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(tǒng)實(shí)時(shí)性的長(zhǎng)任務(wù)分割成若干個(gè)小任務(wù)。這樣單個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間變短，系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時(shí)間變短，實(shí)時(shí)性得以提高。

（1） ?對(duì)任務(wù)的分析與計(jì)算
　　當(dāng)然，長(zhǎng)任務(wù)的分割必須結(jié)合系統(tǒng)中所使用的內(nèi)核，以及各任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求等情況，進(jìn)行必要的分析與計(jì)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(tǒng)共有多少個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)對(duì)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(zhí)行頻率(f1，f2，…，fn)。
　　② 計(jì)算目前各任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間(t1，t2，…，tn)
　?、?確定系統(tǒng)中的長(zhǎng)任務(wù)。如果max(t1，t2，…，tn)≤min(1/f1，1/f2，…，1/fn)，則此系統(tǒng)中不存在長(zhǎng)任務(wù)。如果max(t1，t2，…，tn)＞min(1/f1，1/f2，…，1/fn)，則存在長(zhǎng)任務(wù)，而且執(zhí)行時(shí)間為max(t1，t2，…，tn)的那個(gè)任務(wù)就是要找的長(zhǎng)任務(wù)。
　?、?分析此長(zhǎng)任務(wù)是否需要分割，分析一下是什么原因?qū)е聢?zhí)行的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(duì)這個(gè)長(zhǎng)任務(wù)進(jìn)行分割。

（2） ?實(shí)施長(zhǎng)任務(wù)分割
　　常用的任務(wù)分割的方法有以下兩種：
　?、??將長(zhǎng)任務(wù)按功能分為若干個(gè)小模塊，每一個(gè)模塊構(gòu)成一個(gè)小任務(wù)，每個(gè)小任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種相對(duì)獨(dú)立的功能，且要保證執(zhí)行時(shí)間t　?、? 有的長(zhǎng)任務(wù)比較特殊，例如鍵盤任務(wù)和動(dòng)態(tài)LED數(shù)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(duì)獨(dú)立的小模塊。這時(shí)，一般是按照方便保存現(xiàn)場(chǎng)信息的原則，將其強(qiáng)制分割成若干個(gè)小任務(wù)，每個(gè)小任務(wù)在min(1/f1，1/f2，…，1/fn)時(shí)間內(nèi)主動(dòng)保存現(xiàn)場(chǎng)信息、放棄CPU的控制權(quán)，等到再次被內(nèi)核調(diào)度時(shí)繼續(xù)執(zhí)行。這種分割方法相對(duì)而言較復(fù)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(duì)應(yīng)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(fù)雜程度的一個(gè)重要因素，應(yīng)該采取下述設(shè)計(jì)原則：盡量使用數(shù)據(jù)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(nèi)容耦合。具體方法可參見軟件工程方面的書籍，例如文獻(xiàn)[3]。

3? 基于RTX51 Tiny的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)

　　RTX51是一個(gè)德國(guó)Keil Software公司開發(fā)的用于8051系列單片機(jī)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[4]。RTX51有2個(gè)不同的版本。

（1） ?完全版RTX51 Full
　　完全版RTX51 Full允許4個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先式的任務(wù)切換，可以并行地利用中斷功能。信號(hào)和信息可以通過(guò)郵箱系統(tǒng)在任務(wù)之間互相傳遞，可以從一個(gè)存儲(chǔ)池中分配和釋放內(nèi)存，可以強(qiáng)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(hào)或信息。

（2）? 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(chǔ)器的單片8051系統(tǒng)上運(yùn)行。RTX51 Tiny僅支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)切換和使用信號(hào)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(qiáng)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(hào)，不能進(jìn)行信息處理，也不支持存儲(chǔ)器分配或釋放。RTX51 Tiny是一種不可剝奪型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。

　　基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該根據(jù)RTX51 Tiny操作系統(tǒng)的準(zhǔn)并發(fā)特性，對(duì)應(yīng)用軟件要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大小適當(dāng)?shù)膭澐帧凑丈鲜?個(gè)原則劃分為若干個(gè)任務(wù)模塊，并對(duì)各個(gè)任務(wù)間的通信和時(shí)延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。

　　編寫基于RTX51 Tiny的應(yīng)用軟件的指導(dǎo)方針如下：

　?、? 包含頭文件rtx51tny.h在應(yīng)用程序中。
　?、? 不要寫C語(yǔ)言主函數(shù)main()。RTX51 Tiny操作系統(tǒng)內(nèi)核中已經(jīng)有它自己的主函數(shù)main()。
　?、? 應(yīng)用程序應(yīng)該至少包括1個(gè)任務(wù)函數(shù)(task function)。
　　④? RTX51 Tiny應(yīng)用程序必須中斷使能(EA=1)，因?yàn)镽TX51 Tiny操作系統(tǒng)使用了定時(shí)器T0中斷。
　　⑤? 應(yīng)用程序至少調(diào)用1個(gè)RTX51 Tiny系統(tǒng)函數(shù)(如os_wait)；否則，鏈接器將不會(huì)把RTX51 Tiny的系統(tǒng)庫(kù)包含到應(yīng)用程序中。
　?、? 任務(wù)task0是應(yīng)用程序中第一個(gè)執(zhí)行的函數(shù)。在任務(wù)task 0中，必須調(diào)用os_create_task函數(shù)來(lái)運(yùn)行其他任務(wù)。
　?、? 任務(wù)task函數(shù)不必退出或返回。任務(wù)task必須使用一個(gè)while(1)結(jié)構(gòu)或其他類似的結(jié)構(gòu)。任務(wù)task函數(shù)不帶參數(shù)，也沒(méi)有返回值。使用系統(tǒng)函數(shù)os_delete_task掛起(halt)一個(gè)運(yùn)行的任務(wù)。
　?、? 中斷服務(wù)程序的編寫方式，與不使用RTX51 Tiny操作系統(tǒng)下的編寫方式相同。
　?、??編譯和鏈接應(yīng)用程序有2種途徑，一種是使用集成開發(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(guó)Keil Software公司提供的集成開發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE。

　　利用Keil Software公司提供的集成開發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE，創(chuàng)建RTX51 Tiny應(yīng)用程序的開始的步驟如下：

　?、? 運(yùn)行Keil Software公司的集成開發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE。
　?、? 運(yùn)行菜單命令Project→Options for Target‘Target 1’，打開Target對(duì)話框，并在對(duì)話框中選擇Target選項(xiàng)卡。
　?、??從Operating system下拉列表框中選擇RTX?51 Tiny，如圖1所示。

圖1? 選擇RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

4? 結(jié)論

　　本文給出了劃分任務(wù)的3個(gè)原則，分別是“對(duì)同一個(gè)外設(shè)的訪問(wèn)放在一個(gè)任務(wù)中”、“通過(guò)任務(wù)分割提高系統(tǒng)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基于RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件的指導(dǎo)方針。實(shí)際上，RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的硬件需求是很低的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，能夠運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的單片機(jī)芯片是很容易采購(gòu)得到的。

　　人們?cè)絹?lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的必要性[5]。在許多嵌入式系統(tǒng)中，不但要求系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并對(duì)其作出快速處理，通常還需要同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，并對(duì)每個(gè)任務(wù)作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。實(shí)踐證明，對(duì)于這樣的應(yīng)用，采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)是一個(gè)良好的選擇。?