英創(chuàng)：經(jīng)典的DOS程序框架流程圖分析

本文介紹以英創(chuàng)公司嵌入式PC模塊為平臺，以事件驅(qū)動為特色的一種通用的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序方案，該方案滿足大多數(shù)中、低端嵌入式系統(tǒng)需求，可廣泛應(yīng)用于智能測控設(shè)備、POS終端產(chǎn)品、工業(yè)自動化、網(wǎng)絡(luò)通訊管理等領(lǐng)域。采用英創(chuàng)嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊的客戶，更是可以此為基礎(chǔ)，直接進(jìn)入應(yīng)用功能的軟件規(guī)劃及實現(xiàn)，從而大大節(jié)省應(yīng)用程序的開發(fā)時間，同時保證應(yīng)用程序的高穩(wěn)定性。本應(yīng)用程序方案的核心是通過對一個簡單的任務(wù)命令隊列進(jìn)行操作，來實現(xiàn)各個不同的應(yīng)用程序功能。下圖是本方案的典型流程框圖。

1、系統(tǒng)流程概述

在上圖中表示了3種不同的流程，它們是程序代碼流程、任務(wù)命令（也稱為事件）流程、以及數(shù)據(jù)的流程，以下對這三種流程做一簡要介紹。

程序流程

應(yīng)用程序啟動后，首先進(jìn)行必要的程序初始化配置，便進(jìn)入系統(tǒng)核心代碼，核心程序?qū)⒁来巫x取系統(tǒng)任務(wù)隊列中的事件代碼，并根據(jù)代碼內(nèi)容轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序功能模塊。不同的程序功能模塊對應(yīng)著不同的任務(wù)，即圖中所標(biāo)注的任務(wù)1、任務(wù)2、任務(wù)n等等，這些任務(wù)代碼的特點之一是通過內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)機(jī)制來避免程序阻塞，使得程序能快速返回系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度單元，從而實現(xiàn)任務(wù)間的切換。

任務(wù)劃分的原則一般是按照應(yīng)用功能或?qū)哟蝸韯澐郑缛蝿?wù)1對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，任務(wù)2對處理的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳送，任務(wù)3對數(shù)據(jù)進(jìn)行文件備份。為了提高系統(tǒng)對事件的響應(yīng)速度，每個任務(wù)不宜設(shè)計得過長，就大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用來看，可以把任務(wù)的執(zhí)行時間控制在100ms之內(nèi)，對需要更長執(zhí)行時間的功能，可以通過內(nèi)部設(shè)置狀態(tài)機(jī)的方式來化解。

命令流程

系統(tǒng)命令，通常也稱為系統(tǒng)事件，可由系統(tǒng)中多個單元產(chǎn)生，這些單元可以是系統(tǒng)的定時中斷程序，與應(yīng)用相關(guān)的硬件中斷程序以及各個任務(wù)功能程序模塊，它們根據(jù)自身的運行狀況，生成必要的事件并把這些事件推入系統(tǒng)任務(wù)隊列。進(jìn)入系統(tǒng)任務(wù)隊列的事件是完全異步的，它們按照時間順序排列，統(tǒng)一由系統(tǒng)核心代碼讀取，并啟動相應(yīng)的任務(wù)模塊對該事件進(jìn)行處理，這就是所謂的事件驅(qū)動機(jī)制。在程序設(shè)計中采用事件驅(qū)動的一個直接的好處是降低了各任務(wù)間的耦合性，提高了代碼的可靠性及可維護(hù)性。

命令通?？啥x成枚舉變量，另可考慮命令參數(shù)段，可存放若干參數(shù)或字符串。系統(tǒng)任務(wù)隊列是一個典型的FIFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)為中斷程序和普通的任務(wù)模塊提供了發(fā)送事件的API函數(shù)。定時任務(wù)發(fā)生器是一段加載到系統(tǒng)定時中斷中的代碼，在DOS系統(tǒng)中一般可提秒級以上的定時事件，更小時間間隔的事件，可通過系統(tǒng)的其他定時器中斷實現(xiàn)，對于一般的嵌入式應(yīng)用，最小定時事件不宜小于5ms，否則會無為增加CPU的開銷，降低系統(tǒng)性能。在命令定義中，一般會定義IDLE或NOP命令，在IDLE任務(wù)中可以放常規(guī)的數(shù)據(jù)處理，也可以放檢查是否有鍵盤、是否有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)來等等，并可形成必要的事件發(fā)送到系統(tǒng)任務(wù)隊列，以啟動相應(yīng)的處理。

數(shù)據(jù)流程

各個任務(wù)模塊的主要功能之一就是對各級應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工，并形成新的數(shù)據(jù)。典型的數(shù)據(jù)加工可以是：

對串口來的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀格式分析，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，即通常的通訊規(guī)約分析；

對AD采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行某種統(tǒng)計處理，提取特征數(shù)據(jù)；

讀取數(shù)字輸入狀態(tài)，進(jìn)行必要處理；

讀取網(wǎng)絡(luò)報文，進(jìn)行必要的應(yīng)用層規(guī)約解析

應(yīng)用數(shù)據(jù)存文件，文件數(shù)據(jù)處理等等

由于每個任務(wù)的執(zhí)行機(jī)會具有一定的不確定性，因此需要對數(shù)據(jù)開設(shè)一定的緩沖區(qū)，對一般的應(yīng)用來說，數(shù)據(jù)處理通常都是順序進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)通常采用FIFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)單元即可是簡單的字節(jié)、字，也可以是復(fù)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在英創(chuàng)提供的程序中，串口的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就是采用的FIFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)單元為一個字節(jié)，F(xiàn)IFO結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)也稱為環(huán)型buffer。

可以由一個任務(wù)作數(shù)據(jù)處理，另一個任務(wù)作數(shù)據(jù)傳送，對多任務(wù)共享的單一數(shù)據(jù)單元，可通過設(shè)置信號燈的方法來確保數(shù)據(jù)單元的完整性，對多個數(shù)據(jù)單元，同樣可考慮采用FIFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對數(shù)據(jù)響應(yīng)時間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，也可以用一個任務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理和網(wǎng)絡(luò)通訊全過程。

以下具體介紹實現(xiàn)上述方案的主要代碼。建議用戶在閱讀本文之前，已對英創(chuàng)嵌入式模塊的功能測試程序有了基本了解。

2、主要程序代碼分析

主控流程與應(yīng)用任務(wù)

#include < stdio.h > // 包含所需的C運行庫

#include < dos.h >

#include “etr_tcp.h” // 英創(chuàng)TCP/IP庫

#include “cmdrive.h” // 事件驅(qū)動API定義

int SysInit( ); // 系統(tǒng)初始化函數(shù)定義

void SysExit( ); // 系統(tǒng)退出處理

int main( )

{

int i1, len, State, ExitFlag; // 局部變量

CMD CmdCode; // 系統(tǒng)命令枚舉變量

char CmdPar[20]; // 系統(tǒng)命令所帶參數(shù)

i1 = SysInit( ); // 首先進(jìn)行初始化

for( ExitFlag=0; ; ) // 系統(tǒng)主循環(huán)

{

ReloadWDT( ); // 加載watchdog

State = NET_Running( ); // 網(wǎng)絡(luò)鏈路管理

CmdCode = CmdQueue.GetCmd( CmdPar ); // 從系統(tǒng)任務(wù)隊列讀取命令

switch( CmdCode )

{

case NOP: // 進(jìn)行常規(guī)處理，如檢查鍵盤、網(wǎng)絡(luò)、串口等

NetPackagePro( ); // 做必要的網(wǎng)絡(luò)低層處理

// 若網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)，則啟動相應(yīng)任務(wù)進(jìn)行處理

if( NetHasData( ) ) CmdQueue.PushCmd( TASK1 );

break;

case TASK1:

i1 = Task1.Do ( ); // 也可以是普通C函數(shù)

break;

case TASK2:

i1 = Task2. Do ( );

if( i1 ) CmdQueue.PushCmd( TASK2 ); // 發(fā)送命令，以繼續(xù)任務(wù)處理

break;

case TASK3:

i1 = Task3.Do ( );

break;

default: ExitFlag =1; // 非法命令，退出

}

if( ExitFlag ) break;

}

SysExit( );

return 0;

}

系統(tǒng)初始化程序SysInit( )，首先是對系統(tǒng)提供的資源進(jìn)行初始化，如網(wǎng)絡(luò)初始化、串口初始化、LCD顯示初始化等等，然后是對應(yīng)用定義的功能對象進(jìn)行初始化，最后是安裝中斷服務(wù)程序，啟動定時任務(wù)發(fā)生器。相應(yīng)地，SysExit( )函數(shù)則主要是卸載中斷，釋放在初始化中分配的動態(tài)buffer。

在主循環(huán)中的NOP處理，是以網(wǎng)絡(luò)通訊為例，客戶在實際應(yīng)用程序設(shè)計中可以安排其他需要的處理，如處理鍵盤、處理串口數(shù)據(jù)等等。對應(yīng)用級任務(wù)，建議采用C++的類來實現(xiàn)，每個類對象應(yīng)至少有2個公共函數(shù)：Init( )和Do( )函數(shù)，主控程序可以通過Do( )函數(shù)的返回值來判斷處理已完成或未完成，若未完成，可發(fā)命令再啟動本函數(shù)進(jìn)行后續(xù)處理，在上面的程序中任務(wù)TASK2的處理就是這樣做的。用C++的類對象來實現(xiàn)應(yīng)用功能，可通過私有變量來定義處理的狀態(tài)，在進(jìn)行交互式的通訊處理時，如操作串口設(shè)備，F(xiàn)TP文件上傳等，特別有用，一旦需要處理程序等待對端響應(yīng)，程序就返回系統(tǒng)控制進(jìn)行其他處理，等下次再進(jìn)入該任務(wù)模塊時，程序可根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)繼續(xù)相應(yīng)的處理，這就是所謂的狀態(tài)機(jī)機(jī)制。下面是應(yīng)用任務(wù)的類定義：

#define ST0 0

#define ST1 1

#define ST2 2

#define ST3 3

class AppTASK

{

int State; // 私有的狀態(tài)變量

int DoST0( ); // 各個分步處理

int DoST1( );

int DoST2( );

int DoST3( );

public:

int Init( ); // 對包括State在內(nèi)的變量進(jìn)行初始化

int Do( ); // 任務(wù)處理函數(shù)

};

在類成員函數(shù)Do( )中實現(xiàn)具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)移：

int AppTASK::Do( )

{

int i1;

i1 = 1; // 返回值 = 1：處理未完成；=0：處理完成

switch( State )

{

case ST0:

DoST0( );

State = ST1; // 前進(jìn)到下一狀態(tài)

break;

case ST1:

DoST1( );

State = ST2; // 前進(jìn)到下一狀態(tài)

break;

case ST2:

DoST2( );

State = ST3; // 前進(jìn)到下一狀態(tài)

break;

case ST3:

DoST3( );

State = ST0; // 返回初始狀態(tài)

I1 = 0; // 處理完成！

break;

}

return i1;

}

整個程序方案中，核心的代碼是實現(xiàn)系統(tǒng)的事件驅(qū)動功能，被定義成一個C++類如下：

#if !defined(_CMDRIVE_H)

#define _CMDRIVE_H

#ifdef __cplusplus

#define __CPPARGS ...

#else

#define __CPPARGS

#endif

#include < dos.h >

enum CMD { NOP, TASK1, TASK2, TASK3, EXIT }; // 可以根據(jù)應(yīng)用定義更多的命令

#define MaxCmdStack 400 // 定義系統(tǒng)任務(wù)隊列的長度

#define PARLEN 14 // 每個命令所帶參數(shù)的長度

class TaskQueue

{

static unsigned int PutIdx; // 通過2個index的操作，使CmdBuf[ ]成為

static unsigned int GetIdx; // 邏輯上的環(huán)型buffer，即FIFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

static CMD CmdBuf[MaxCmdStack];

static char CmdPar[MaxCmdStack][PARLEN];

static struct time OldTime;

static struct date OldDate;

static unsigned int TickCount; // 定時計數(shù)

static unsigned int TickSize; // 確定最小的定時間隔，可變，初值為0

static void interrupt INT1C_Handler(__CPPARGS); // 通過INT 1C實現(xiàn)定時任務(wù)發(fā)生器

static int ISR_PushCmd( CMD NewCmd, char* pPar=NULL ); // 中斷程序中使用

public:

TaskQueue( );

~TaskQueue( );

CMD GetCmd( char* pPar=NULL ); // 讀取當(dāng)前隊列中的命令

int PushCmd( CMD NewCmd, char* pPar=NULL ); // 填入新的命令到系統(tǒng)任務(wù)隊列

void StartQueue( ); // 啟動定時任務(wù)發(fā)生器

void StopQueue( ); // 關(guān)閉定時任務(wù)發(fā)生器

};

extern class TaskQueue CmdQueue; // 在cmdrive.cpp中定義的類變量實例

#endif

在TaskQueue類的定義中有3個核心API函數(shù)，用于實現(xiàn)任務(wù)隊列和定時任務(wù)發(fā)生：

CMD TaskQueue::GetCmd( char* pPar ) // 從FIFO讀取命令

{

CMD CmdCode;

if( GetIdx != PutIdx )

{

disable( );

CmdCode = (CMD)CmdBuf[GetIdx];

if( pPar != NULL ) memcpy( pPar, CmdPar[GetIdx], PARLEN );

GetIdx = ( GetIdx + 1 ) % MaxCmdStack;

enable( );

return CmdCode;

}

return NOP;

}

// return = -1: command aborted

// = 0: command pushed

int TaskQueue::PushCmd( CMD NewCmd, char* pPar ) // 把命令填入任務(wù)隊列

{

unsigned int Idx;

if( GetIdx == 0 ) Idx = MaxCmdStack - 1;

else Idx = GetIdx - 1;

disable( );

if( PutIdx == Idx ) return -1; // 表明隊列已滿

CmdBuf[PutIdx] = NewCmd; // 填入命令碼

if( pPar == NULL ) memset( CmdPar[PutIdx], 0, PARLEN ); // 填入?yún)?shù)

else memcpy( CmdPar[PutIdx], pPar, PARLEN );

PutIdx = ( PutIdx + 1 ) % MaxCmdStack; // 序號按模加1

enable( );

return 0;

}

環(huán)形緩沖區(qū)的核心是使用了一塊連續(xù)的內(nèi)存，并定義了兩個Index序號：一個是記錄往緩沖區(qū)填數(shù)的PutIdx；一個是記錄從緩沖區(qū)取數(shù)的GetIdx。置數(shù)和取數(shù)是兩個完全異步的過程，所以PutIdx和GetIdx移動的瞬時速度不一定相同，但平均速度一致，當(dāng)PutIdx==GetIdx表明緩沖區(qū)是空的，已經(jīng)無數(shù)可取，而當(dāng)PutIdx-GetIdx=1時，表明緩沖區(qū)已滿，不允許再存數(shù)。

void interrupt TaskQueue::INT1C_Handler(__CPPARGS) // 定時任務(wù)發(fā)生器

{

int i1;

struct time t;

struct date d;

enable( );

TickCount++; // x86的系統(tǒng)時鐘大約55ms中斷一次

if( TickCount >= TickSize )

{

GetSystime( &t ); // get current time

if( t.ti_sec != OldTime.ti_sec ) // 作整秒檢查

{

ISR_PushCmd( TASK1 ); // 每秒執(zhí)行一次TASK1

TickSize = 18; // 整秒對齊

TickCount = 0;

OldTime.ti_sec = t.ti_sec;

if( t.ti_min != OldTime.ti_min ) // 作整分檢查

{

ISR_PushCmd( TASK2 ); // 每分鐘執(zhí)行一次TASK2

OldTime.ti_min = t.ti_min; // update minute then

if( OldTime.ti_hour != t.ti_hour ) // processing hour data

{

ISR_PushCmd( TASK3 ); // 每小時執(zhí)行一次TASK3

OldTime.ti_hour = t.ti_hour; // update hour then

}

}

}

}

}

按照上述代碼實現(xiàn)的方法，用戶很容易實現(xiàn)其他時間間隔的定時任務(wù)。

3、程序程序運行測試分析

建議每個任務(wù)的每次執(zhí)行時間控制在100ms，以便系統(tǒng)合理的分配各任務(wù)的執(zhí)行時間，節(jié)約系統(tǒng)的數(shù)據(jù)buffer開銷。對大多數(shù)應(yīng)用來說，這一要求很容易得到滿足。本應(yīng)用程序方案首先在NetBox-II（CPU主頻24MHz）進(jìn)行了測試，其任務(wù)調(diào)度的時間在90us水平，對100ms的任務(wù)間隔，系統(tǒng)占用時間小于1%，是完全可以接受的。

對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，由于存在與對端的交互式操作，所以其整個通訊過程會超過100ms，這時合理的安排是利用等待對端響應(yīng)的時間來處理系統(tǒng)的其它任務(wù)，因此需要在相應(yīng)的任務(wù)中采用狀態(tài)機(jī)的方式來實現(xiàn)，具體的實現(xiàn)會在后續(xù)的應(yīng)用程序方案中介紹。