基于微處理器LPC2210實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ關(guān)鍵算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1 引言

當(dāng)前，嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">產(chǎn)品的要求越來(lái)越多．如通信速率，穩(wěn)定性，產(chǎn)品功能，可擴(kuò)展性，可移植性，適應(yīng)性等。為了適應(yīng)這些要求，作者對(duì)低版本的μC/OS-II做了一些改進(jìn)。并選擇一款性?xún)r(jià)比高的微處理器LPC2210作為其運(yùn)行的硬件平臺(tái)。本文論述的高級(jí)繼電器保護(hù)裝置除可以動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)模擬量和開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)采集外，還可以作為web終端通過(guò)遠(yuǎn)程主機(jī)對(duì)終端進(jìn)行控制或訪問(wèn)。

2 μC/OS-II其內(nèi)核結(jié)構(gòu)

宏觀的講，μC/OS-Ⅱ大致分成內(nèi)核結(jié)構(gòu)、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)之間的通信與同步和CPU的移植等5個(gè)部分。由于嵌入式多任務(wù)應(yīng)用功能軟件系統(tǒng)是應(yīng)用設(shè)計(jì)的范疇，所以并不包含在內(nèi)核中。內(nèi)核保留給上層應(yīng)用的接口有3個(gè)，分別是軟保護(hù)、任務(wù)間的通信ITC、和設(shè)備服務(wù)DSR。一個(gè)μC/OS-II內(nèi)核現(xiàn)狀的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 μC/OS-Ⅱ內(nèi)核現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 μC/OS-Ⅱ關(guān)鍵算法邏輯

μC/OS-II采用的是可剝奪型內(nèi)核，它總是執(zhí)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。系統(tǒng)通過(guò)兩種方法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度：一是時(shí)鐘節(jié)拍或其它硬件中斷到來(lái)后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用函數(shù)執(zhí)行切換任務(wù)功能；二是任務(wù)主動(dòng)進(jìn)入掛起態(tài)或等待態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來(lái)完成任務(wù)切換，中斷服務(wù)程序或陷阱處理程序的向量地址必須指向函數(shù)OSCtxSw（）。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)唯一地標(biāo)識(shí)了任務(wù)，即使兩個(gè)任務(wù)的重要性是相同的，任務(wù)間也必須有優(yōu)先級(jí)上的差異，這就意味著高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被處理完成之后，必須進(jìn)入等待態(tài)或者掛起態(tài)，否則低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)永遠(yuǎn)也不可能執(zhí)行，從而嚴(yán)重暴露出μC/OS-Ⅱ的缺點(diǎn)，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中也不難發(fā)現(xiàn)其內(nèi)核算法存在的一些問(wèn)題，如內(nèi)核具體代碼方面的、體系結(jié)構(gòu)方面的、以及移植作者方面的問(wèn)題，其中最顯著的就是硬實(shí)時(shí)性和設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架問(wèn)題。

3．1硬保護(hù)算法的改進(jìn)

在μC/OS-II操作系統(tǒng)中，臨界區(qū)、硬保護(hù)和軟保護(hù)是幾個(gè)緊密聯(lián)系的概念，而硬保護(hù)算法又與開(kāi)關(guān)中斷、堆棧和局部變量相聯(lián)系。從保護(hù)的角度考慮，系統(tǒng)的代碼可以劃分為三種運(yùn)行環(huán)境，即任務(wù)環(huán)境、中斷環(huán)境和設(shè)備環(huán)境。當(dāng)代碼運(yùn)行于這三種環(huán)境中時(shí)，需要的保護(hù)有很大的區(qū)別。下面將對(duì)臨界區(qū)及其保護(hù)措施中的部分概念作出定義。

定義1：和中斷環(huán)境相關(guān)的系統(tǒng)保護(hù)稱(chēng)為硬保護(hù)（HP，Hard Protect）。

定義2：和設(shè)備環(huán)境相關(guān)的系統(tǒng)保護(hù)稱(chēng)為設(shè)備保護(hù)（DP ， Device Protect）。

定義3：純粹任務(wù)之間的保護(hù)稱(chēng)為軟保護(hù)（SP，Soft Protect）。

區(qū)別使用不同的保護(hù)機(jī)制對(duì)提高系統(tǒng)的中斷能力和穩(wěn)定性是非常重要的。當(dāng)系統(tǒng)中大部分功能是與硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交流時(shí)應(yīng)盡量用軟保護(hù)SP和設(shè)備保護(hù)DP代替硬保護(hù)HP，也是提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)反應(yīng)能力的重要手段。硬保護(hù)的方法有三種，在三種硬保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)方法中。第一種方法只是單純的開(kāi)關(guān)中斷，因此最簡(jiǎn)單；但在嵌套調(diào)用時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)層的開(kāi)中斷代碼干擾外層保護(hù)的邏輯。第二種方法借助堆棧功能很好地解決了第一種方法的嵌套問(wèn)題，但堆棧指針無(wú)法確定。第三種方法是在每個(gè)硬保護(hù)代碼的函數(shù)中定義一個(gè)局部變量，進(jìn)入保護(hù)前保存狀態(tài)，退出保護(hù)時(shí)恢復(fù)狀態(tài)。當(dāng)OS_CRITICAL_METHOD==3時(shí)，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Void functionx（）

{

#if OS_CRITICAL_METHOD==3

OS_CPU_SR cpu_sr；

#endif

??

OS_ENTER_CRITICAL（）；

?? //需要硬保護(hù)的臨界區(qū)代碼

OS_EXIT_CRITICAL（）；

}

3．2調(diào)度器算法的改進(jìn)

眾所周知，μC/OS-II在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性。它采用單一的基于優(yōu)先級(jí)的搶先式調(diào)度算法，有效地保證了實(shí)時(shí)性的要求。其另外一個(gè)特點(diǎn)是任務(wù)切換帶來(lái)的時(shí)延窗口很小。在任務(wù)的邏輯狀態(tài)中，只有就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)才可以被真正運(yùn)行。μC/OS-II任務(wù)級(jí)的調(diào)度器是通過(guò)函數(shù)OSSched（）實(shí)現(xiàn)的，0ssched（）基本上分布在μC/OS-II的各種ITC功能塊中。調(diào)度器函數(shù)的偽代碼如下：

{

（1）如果鎖定任務(wù)切換（配合軟保護(hù)），則直接退出。

（2）計(jì)算當(dāng)前優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

（3）如果當(dāng)前任務(wù)就是最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，則直接退出。

（4）將最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)編號(hào)（OSPrioHighRdy）賦給當(dāng)前任務(wù)編號(hào)（OSPrioCur）。

（5）讀出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的控制塊數(shù)據(jù)指針到OSTCBHighRdy指針。

（6）保存當(dāng)前任務(wù)的環(huán)境。保存當(dāng)前任務(wù)的sP到OS_TCB結(jié)構(gòu)中的堆棧指針。

（7）讀出最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)OSTCBHighRdy及其中的SP，設(shè)置堆棧，恢復(fù)所改任務(wù)的環(huán)境，并讀出堆棧中保存的PC（程序計(jì)數(shù)器，任務(wù)當(dāng)前代碼位置）設(shè)置好處理器的PC器存器，任務(wù)即可開(kāi)始執(zhí)行。

}

在任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)0S_TCB描述中只能見(jiàn)到等待、休眠和就緒三個(gè)標(biāo)記值。每個(gè)任務(wù)具有一個(gè)任務(wù)控制塊OS_TCB，任務(wù)控制塊負(fù)責(zé)記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、堆棧指針和相關(guān)事件控制塊指針等。內(nèi)核將系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表中進(jìn)行標(biāo)注，通過(guò)就緒表中的兩個(gè)變量OSRdyGrp和OSRdyTbl［］可快速查找系統(tǒng)中就緒的任務(wù)。讓任務(wù)進(jìn)入等待、就緒等狀態(tài)等標(biāo)記任務(wù)狀態(tài)描述值的功能是分散在其它模塊中完成的，在此需要修OS_TCB中的OSTCBStat字段。如用ITC中的信號(hào)量把任務(wù)設(shè)置到等待態(tài)或者把相關(guān)任務(wù)設(shè)置為就緒態(tài)等。

為了提高μC/OS-II適應(yīng)性，在保證其實(shí)時(shí)性的前提下，對(duì)μC/OS-II的任務(wù)狀態(tài)圖的等待或掛起態(tài)分離為阻塞和等待態(tài)，以便實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)與時(shí)間片結(jié)合式調(diào)度。從而可以從體系結(jié)構(gòu)上避免μC/OS-II存在的不足。如缺乏時(shí)間片調(diào)度、低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)很難得到執(zhí)行、不支持同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的調(diào)度、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)等問(wèn)題。改進(jìn)的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2。

圖2改進(jìn)的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3．3任務(wù)就緒算法的改進(jìn)

改進(jìn)的μC/OS-II可以管理多達(dá)255個(gè)任務(wù)甚至更多，并且提供功能齊全的實(shí)時(shí)操作服務(wù)。實(shí)際上，就緒任務(wù)表是一個(gè)位矩陣。OSRdyTb1矩陣中位的值為0或1，表示對(duì)應(yīng)的prio任務(wù)是否就緒。prio的數(shù)據(jù)位分為兩部分，Y表示縱坐標(biāo)，x表示橫坐標(biāo)，和矩陣中的一位對(duì)應(yīng)。OSRdyGrp是縱坐標(biāo)上就緒任務(wù)組的紀(jì)錄，只要該組中任何一位代表的任務(wù)就緒（非零），Os_RdyGrp縱坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)位就標(biāo)記為就緒。任務(wù)就緒算法和查詢(xún)就緒算法如下：

（1）任務(wù)就緒算法：根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)數(shù)使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)

OSRdyGrp 1=OSMapTbl［prio》》3］； //用Y映射出縱坐標(biāo)位

OSRdyTb1［prio》》3］ 1=OSMapTb1［prio&0x07］； //用X映射出橫坐標(biāo)位

（2）查詢(xún)就緒算法：通過(guò)此算法。μC/OS-II可以找出進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。

y = OSUnMapTbl［OSRdyGrp］； //直接對(duì)應(yīng)出縱坐標(biāo)

x = OSUnMapTbl［OSRdyTbl［y］］； //直接對(duì)應(yīng)出橫坐標(biāo)

prio=（y《《3）+x； //算出優(yōu)先級(jí)

由于老版本的μC/OS-II最多只能管理64個(gè)任務(wù)．分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0～63，其中0為最高優(yōu)先級(jí)，63為最低級(jí)，系統(tǒng)保留了4個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)和4個(gè)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)．實(shí)際上用戶可以使用的任務(wù)數(shù)僅有56個(gè)。就緒任務(wù)表其實(shí)是一個(gè)8x8的位矩陣，而且這個(gè)矩陣可以簡(jiǎn)化為橫縱兩個(gè)數(shù)組，同時(shí)保持了常數(shù)運(yùn)算。對(duì)于要求用μC/OS-II管理更多任務(wù)的情況，如要管理255個(gè)任務(wù)，該算法仍然具有意義。改進(jìn)前和改進(jìn)后的任務(wù)就緒表如圖3。

圖3改進(jìn)前和改進(jìn)后的任務(wù)就緒表

此時(shí)。最低優(yōu)先級(jí)OS_LOWEST_PRIO的定義值可以大于63，但不能大于254。當(dāng)μC/OS-II初始化的時(shí)候。最低優(yōu)先級(jí)OS_LOWEST_PRIO總是被賦給空閑任務(wù)idle task。就緒表（readv list）和事件等待表（event wait lists）由一個(gè)16x16的矩陣代替。從理論上講．這也是最低優(yōu)先級(jí)OS_LOWEST_PRIO的定義值不能大于254的原因。

3．4軟保護(hù)算法

純粹任務(wù)之間的保護(hù)稱(chēng)為軟保護(hù)（SP，Soft Protect）。在μC/OS-II中，軟保護(hù)包括OSSchedLock和OSSchedUnLock兩個(gè)函數(shù)，用于保護(hù)純?nèi)蝿?wù)間全局變量的訪問(wèn)。基本思路是借助硬保護(hù)遞增（解鎖時(shí)遞減）標(biāo)記變量OSLockNesting，并在任務(wù)調(diào)度器中判斷此標(biāo)記變量，以此鎖住任務(wù)調(diào)度器。

4 改進(jìn)的μC/OS-II在LPC2210上的移植

移植μC/OS-II到LPC2210上，需編寫(xiě)與處理器相關(guān)的幾個(gè)文件：OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C。除了編寫(xiě)這三個(gè)文件之外，還必須編寫(xiě)目標(biāo)板的初始化啟動(dòng)代碼，這是運(yùn)行任何其它軟件的基礎(chǔ)。μC/OS-II要求所有*．c文件都要包含頭文件includes.h，這樣使得用戶項(xiàng)目中的每個(gè)*.c文件不用考慮它實(shí)際上需要那些頭文件。使用includes.h的缺點(diǎn)是可能會(huì)包含一些不相關(guān)的頭文件，也可能會(huì)增加每個(gè)文件的編澤時(shí)間，但卻增強(qiáng)了代碼的可移植性。本移植不使用軟中斷SWI做底層接口，在OS_CPU.H中定義#define OS_CRITICAL_METHOD 3，即采用第三種方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)中斷。具體用法已在前面作了介紹。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)μC/OS-II的關(guān)鍵算法在分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用到了基于ARM7的RISC微處理器LPC2210上。通過(guò)實(shí)際的調(diào)試和在高級(jí)繼電器保護(hù)裝置中的應(yīng)用，表明改進(jìn)方案是可行的。在不損害實(shí)時(shí)性的前提下，增強(qiáng)了μC/OS-Ⅱ?qū)π枨蟮倪m應(yīng)性、執(zhí)行效率和對(duì)任務(wù)的管理能力。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：（1）通過(guò)對(duì)μC/OS-Ⅱ的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵算法的分析，指出了其在應(yīng)用中存在的不足和改進(jìn)的方法。（2）增強(qiáng)了μC/OS-II對(duì)需求的適應(yīng)性、執(zhí)行效率和對(duì)任務(wù)的管理能力。（3）對(duì)EasyARM2200開(kāi)發(fā)板提供的例程做了改進(jìn)并將其移植到了自己的開(kāi)發(fā)板上，為應(yīng)用功能的擴(kuò)展打下了基礎(chǔ)。

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