RTOS應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的五個(gè)實(shí)踐技巧

我在編寫(xiě)RTOS應(yīng)用程序的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這些困難，包括正確確定系統(tǒng)中有多少任務(wù)、如何設(shè)置優(yōu)先級(jí)、協(xié)調(diào)任務(wù)行為、避免常見(jiàn)陷阱，有時(shí)只是為了讓?xiě)?yīng)用程序正常工作！

如今，近三分之二的嵌入式系統(tǒng)使用 RTOS，而且隨著系統(tǒng)的時(shí)序要求變得越來(lái)越復(fù)雜，這個(gè)數(shù)字只會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。在今天的文章中，我們將研究設(shè)計(jì)基于 RTOS 的應(yīng)用程序的五個(gè)最佳實(shí)踐技巧。

一、任務(wù)分解

首先我們可以遵循的第一個(gè)最佳實(shí)踐技巧就是使他們的 RTOS 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)成功，是使用任務(wù)分解來(lái)獲得應(yīng)用程序中正確數(shù)量的任務(wù)。

有許多技術(shù)可用于分解任務(wù)，但我喜歡使用的一種對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)人員很有效的方法是使用由外向內(nèi)（outside-in）的方法。在這種方法中，開(kāi)發(fā)人員遵循七個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

識(shí)別并列出主要的系統(tǒng)組件；

繪制高級(jí)框圖；

標(biāo)記系統(tǒng)輸入；

標(biāo)記輸出；

確定一級(jí)任務(wù)；

確定并發(fā)級(jí)別和依賴項(xiàng)；

確定第二層任務(wù)（應(yīng)用程序任務(wù)）；

在為恒溫器等物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行此過(guò)程時(shí)，最終可能會(huì)得到如下圖所示：

在這種情況下，系統(tǒng)通常有六個(gè)任務(wù)，其中一個(gè)任務(wù)監(jiān)督應(yīng)用程序代碼。（根據(jù)系統(tǒng)復(fù)雜性，可以進(jìn)一步分解此任務(wù)）。

二、選擇正確的調(diào)度算法來(lái)分配優(yōu)先級(jí)

我觀察到很多使用 RTOS 的開(kāi)發(fā)人員從不花時(shí)間決定他們將如何安排他們的任務(wù)。他們通常假設(shè) RTOS 會(huì)為他們做這件事，并且他們的任務(wù)會(huì)根據(jù)提供他們選擇的任務(wù)優(yōu)先級(jí)成功運(yùn)行。

事實(shí)是，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)多種不同的方式來(lái)安排任務(wù)。

首先，開(kāi)發(fā)人員可以使用任務(wù)響應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)度任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間最短的任務(wù)應(yīng)該被分配最高優(yōu)先級(jí)。

其次，開(kāi)發(fā)人員可以使用一個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間來(lái)調(diào)度任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，執(zhí)行時(shí)間最短的任務(wù)應(yīng)該被分配最高優(yōu)先級(jí)。

最后，開(kāi)發(fā)人員可以使用任務(wù)周期來(lái)安排任務(wù)。在這些系統(tǒng)中，周期最短的任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高。

只有在您選擇了調(diào)度方法之后，您才能正確設(shè)置您的任務(wù)優(yōu)先級(jí)。（我看到很多開(kāi)發(fā)人員只是猜測(cè)）。

三、使用RMS驗(yàn)證任務(wù)是否可調(diào)度

大多數(shù)使用 RTOS 的嵌入式系統(tǒng)中使用的調(diào)度算法是基于周期的調(diào)度，也稱為速率單調(diào)調(diào)度（Rate Monotonic Scheduling）。

多年來(lái)，人們對(duì)如何使用 RMS 正確安排任務(wù)進(jìn)行了大量研究。通常，RMS 附帶了開(kāi)發(fā)人員需要牢記的幾個(gè)假設(shè)。

首先，RMS 假設(shè)任務(wù)是周期性的并且它們也是獨(dú)立的。這意味著，如果您有一個(gè)非周期性任務(wù)，在分析中我們會(huì)假設(shè)為它提供一些周期性時(shí)間。

接下來(lái)，RMS 假設(shè) RTOS 使用搶占式調(diào)度。它還假設(shè)所有任務(wù)都相等并且最壞情況的執(zhí)行時(shí)間是恒定的。

我經(jīng)常發(fā)現(xiàn) RMS 非常適合對(duì)我開(kāi)發(fā)的 RTOS 應(yīng)用程序架構(gòu)是否有意義或者我是否在錯(cuò)誤的方向進(jìn)行完整性檢查。

例如，我可以假設(shè)具有以下任務(wù)的系統(tǒng)的行為方式并確定它是否可以成功調(diào)度其任務(wù)：

對(duì)于使用 RMS 的系統(tǒng)，對(duì)于具有無(wú)限數(shù)量任務(wù)的系統(tǒng)，所有這些任務(wù)的 CPU 使用率必須低于 69.3%。對(duì)于上述系統(tǒng)，我們可以看到總利用率為 52%，這意味著它們應(yīng)該是可調(diào)度的。

四、使用同步和數(shù)據(jù)流圖

在使用由外向內(nèi)（outside-in）的方法確定我在應(yīng)用程序中需要的所有任務(wù)后，我通常會(huì)創(chuàng)建一個(gè)同步和數(shù)據(jù)流圖。此圖的目的是：

映射系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的來(lái)源

映射數(shù)據(jù)如何從其源轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中的任務(wù)

映射如何存儲(chǔ)和訪問(wèn)該數(shù)據(jù)

映射如何使用該數(shù)據(jù)來(lái)生成系統(tǒng)輸出

早些時(shí)候，我以連接互聯(lián)網(wǎng)的恒溫器為例。下面是我們可能為該應(yīng)用程序制作的數(shù)據(jù)流和同步圖。

如您所見(jiàn)，此圖不僅可以幫助我們了解數(shù)據(jù)如何在系統(tǒng)中移動(dòng)，還可以幫助我們了解應(yīng)用程序中所需的 RTOS 組件，例如：

隊(duì)列

流緩沖區(qū)

信號(hào)量

互斥體

如果沒(méi)有這樣的圖表，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)必然會(huì)遇到開(kāi)發(fā)和維護(hù)問(wèn)題。

五、預(yù)先定義任務(wù)和消息界面接口

一旦創(chuàng)建了數(shù)據(jù)流圖，就很容易開(kāi)始對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編碼。

這無(wú)疑會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)順利進(jìn)行，但我發(fā)現(xiàn)如果開(kāi)發(fā)人員不花時(shí)間預(yù)先仔細(xì)定義任務(wù)和消息接口，它可能會(huì)導(dǎo)致返工。

雖然數(shù)據(jù)流圖通常顯示數(shù)據(jù)如何通過(guò)應(yīng)用程序傳播，但它并不一定要求定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

目標(biāo)是預(yù)先檢查每個(gè)消息隊(duì)列，然后為這些消息構(gòu)建結(jié)構(gòu)。這很重要，因?yàn)樗鼘⒍x消息的外觀，而且還將有助于任何底層模塊的接口的外觀。例如，管理一系列閥門的任務(wù)可能需要包含以下內(nèi)容的消息：

閥門 ID

閥門狀態(tài)

閥門所需的時(shí)間

再說(shuō)一次，它可能會(huì)期待：

定義閥門狀態(tài)的面罩

準(zhǔn)時(shí)清單

歸根結(jié)底，做事的方式總是不止一種，一種不一定比另一種更好。但是，在為支持任務(wù)執(zhí)行的其他模塊構(gòu)建接口時(shí)，了解正在傳遞的消息將有所幫助。

六、結(jié)論

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)比以往任何時(shí)候都更多地用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。

我們?cè)诮裉斓奈恼轮刑接懥藥讉€(gè)技巧，這些技巧不僅可以幫助讀者創(chuàng)建更清晰、更靈活的 RTOS 應(yīng)用程序，還可以幫助他們傳達(dá)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)意圖。這些技巧應(yīng)該可以幫助讀者快速開(kāi)始他們的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

審核編輯：湯梓紅

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