小型嵌入式系統(tǒng)基于時(shí)間觸發(fā)的編程模式的改進(jìn)

 

目前，RTOS特別是搶先式RTOS在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，但是還有很大一部分產(chǎn)品使用是小型單片機(jī)。這些系統(tǒng)由于成本的限制，通常資源非常有限，比如ROM往往小丁32 KB，RAM小于2 KB，由于RTOS對(duì)每個(gè)任務(wù)都要開辟單獨(dú)內(nèi)存區(qū)域，存放任務(wù)的上下文和各任務(wù)獨(dú)立的堆棧，所以在這種系統(tǒng)中使用RTOS非常勉強(qiáng)。對(duì)于這些低成本資源受限系統(tǒng)通常采用“前后臺(tái)”（或者叫“超級(jí)循環(huán)”）結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，這實(shí)際上是一種事件觸發(fā)的編程模式，當(dāng)中斷數(shù)目較多且系統(tǒng)完成的功能相對(duì)復(fù)雜時(shí)，就會(huì)使系統(tǒng)的程序編寫變得非常復(fù)雜并使系統(tǒng)運(yùn)行的可預(yù)測(cè)性迅速下降。

 

針對(duì)這個(gè)問題，Michael J.Pont提出了一種“基于時(shí)間觸發(fā)的編程模式”，這種方法有助于降低CPU的負(fù)荷并減少存儲(chǔ)器的使用量，提高系統(tǒng)行為的可預(yù)測(cè)性，并使程序的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)潔。但是在實(shí)際使用中，當(dāng)系統(tǒng)中不同的任務(wù)對(duì)時(shí)間要求差異較大時(shí)，“基于時(shí)間觸發(fā)的編程模式”難以給出簡(jiǎn)單有效的解決方案。為此，對(duì)“基于時(shí)間觸發(fā)的編程模式”進(jìn)行了改進(jìn)，使之適應(yīng)性更強(qiáng)，可以為成本和資源受限的小型嵌入式系統(tǒng)提供統(tǒng)一且有效的可編程邏輯模式。

 

 

當(dāng)不使用RTOS時(shí)，嵌入式設(shè)計(jì)軟件通常采用兩種傳統(tǒng)的編程結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，一種叫“前后臺(tái)廳式”或者叫“超級(jí)循環(huán)結(jié)構(gòu)”，本質(zhì)上是事件觸發(fā)的編程方式；另一種叫時(shí)間觸發(fā)編程模式，Michael J.Pont的“基于時(shí)間觸發(fā)的編程模式”即屬于此。

 

在實(shí)際工作中，當(dāng)系統(tǒng)稍微復(fù)雜時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩種方式都有一定局限性，下面以一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中遇到的問題為例來說明。在設(shè)計(jì)一個(gè)用于配電柜的壁裝式智能配電儀表時(shí)，CPU的程序設(shè)計(jì)需完成以下任務(wù)：

 

①每半秒對(duì)前顯示屏的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行一次刷新。

 

②每0.1 s對(duì)DI/DO進(jìn)行一次刷新。

 

③每0.2 s對(duì)鍵盤進(jìn)行一次掃描。

 

④每半秒對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行一次重新采集和計(jì)算。

 

⑤異步串行口與上位機(jī)使用Modhus通信，速率最高1 9 200 bps.

 

⑥CPU通過I2C總線與時(shí)鐘芯片和EEPROM通信。

 

⑦CPU通過SPI總線與LED數(shù)碼管及采集芯片通信。

 

⑧CPU要對(duì)所采集的6路信號(hào)進(jìn)行FFT變換。

 

⑨當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，CPU要能快速響應(yīng)，把當(dāng)前的電度底數(shù)寫入EEPROM中。

 

上述任務(wù)中，任務(wù)⑤和任務(wù)⑨是強(qiáng)實(shí)時(shí)性的，如果對(duì)串口的收發(fā)事件得不到及時(shí)響應(yīng)，接收時(shí)會(huì)導(dǎo)致字節(jié)丟失，發(fā)送時(shí)會(huì)導(dǎo)致字節(jié)間時(shí)間間隔太大，造成接收方的Modbus幀定界錯(cuò)誤，對(duì)系統(tǒng)掉電事件如果不能及時(shí)響應(yīng)會(huì)造成EEPROM的寫入失敗。其他任務(wù)只要在指定的周期內(nèi)能得到執(zhí)行就行，但是任務(wù)⑧比較特殊，使用通常的8位CPU進(jìn)行6種信號(hào)的FFT變換，哪怕每種信號(hào)只做128點(diǎn)的FFT，運(yùn)算一次也要好幾秒。下面來看用傳統(tǒng)編程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)時(shí)遇到的困擾。

 

1.1使用“前后臺(tái)方式”進(jìn)行編程

 

使用“前后臺(tái)方式”進(jìn)行編程時(shí)，為保證任務(wù)⑤的及時(shí)性，使用了UART中斷，當(dāng)UART完成一個(gè)字節(jié)的收發(fā)后產(chǎn)生中斷，在中斷程序中將接收到的字符保存在接收緩沖區(qū)或從發(fā)送緩沖區(qū)取下一個(gè)待發(fā)字符裝入U(xiǎn)ART進(jìn)行發(fā)送，對(duì)Modbus協(xié)議的處理可以單獨(dú)用一個(gè)任務(wù)在中斷外處理，這保證了巾斷程序的簡(jiǎn)短。為保證任務(wù)⑨響應(yīng)的及時(shí)性，也必須為它安排一個(gè)中斷。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，系統(tǒng)只有不到10 ms的過渡時(shí)間，系統(tǒng)如果不能在這個(gè)時(shí)間內(nèi)完成相關(guān)的操作，系統(tǒng)電壓將跌落至有效電壓以下而喪失工作能力。

 

安排好了后臺(tái)的中斷任務(wù)后再來看看前臺(tái)的任務(wù)如何完成。這里遇到的最大的挑戰(zhàn)是對(duì)任務(wù)⑧的處理，因?yàn)槿蝿?wù)⑧需要的執(zhí)行時(shí)間太長了，簡(jiǎn)單的把它當(dāng)成一個(gè)任務(wù)處理將影響系統(tǒng)對(duì)其他任務(wù)的響應(yīng)，在超級(jí)循環(huán)中的代碼結(jié)構(gòu)如下：

 

while（1）{

 

任務(wù)①；

 

任務(wù)②；

 

……

 

任務(wù)⑧；

 

}

 

由于任務(wù)⑧執(zhí)行一次要幾秒鐘的時(shí)間，整個(gè)超級(jí)循環(huán)執(zhí)行一次至少大于任務(wù)⑧需要的時(shí)間，也就是說這個(gè)超級(jí)循環(huán)循環(huán)一次要幾秒鐘時(shí)間，將滿足不了各任務(wù)響應(yīng)時(shí)間的要求。

 

要解決這個(gè)問題，只有把任務(wù)⑧拆分成很多個(gè)子任務(wù)，將每個(gè)子任務(wù)的耗時(shí)壓縮到10 ms左右，并定義好各個(gè)子任務(wù)完成后的狀態(tài)，在超級(jí)大循環(huán)中每次根據(jù)狀態(tài)只執(zhí)行一個(gè)子任務(wù)，程序結(jié)構(gòu)如下：

這樣，就需要把一個(gè)耗時(shí)幾秒的FFT運(yùn)算任務(wù)拆分成幾百個(gè)耗時(shí)10 ms左有的子任務(wù)，這顯然是不可接受的。除此之外，超級(jí)大循環(huán)結(jié)構(gòu)隱含的一個(gè)缺點(diǎn)就是隨著任務(wù)的增加，循環(huán)體的執(zhí)行時(shí)間是線性增加的，在實(shí)際設(shè)計(jì)中即使沒有像任務(wù)⑧那樣的高耗時(shí)任務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)功能增加時(shí)要保證系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

 

1.2使用“時(shí)間觸發(fā)編程模式”進(jìn)行編程

 

“時(shí)間觸發(fā)編程模式”的核心是建立一個(gè)基丁時(shí)間觸發(fā)的合作式的任務(wù)調(diào)度器，在系統(tǒng)中盡量減少事件觸發(fā)（減少中斷的使用），系統(tǒng)通過任務(wù)調(diào)度器完成各任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行，下面是“時(shí)間觸發(fā)編程模式”的典型程序結(jié)構(gòu)：

 

系統(tǒng)中每個(gè)任務(wù)都定義了優(yōu)先級(jí)、任務(wù)循環(huán)周期和任務(wù)延遲時(shí)間，系統(tǒng)定時(shí)器中斷程序SCH Updatc（）按設(shè)定的節(jié)拍對(duì)任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行刷新，在超級(jí)大循環(huán)中只執(zhí)行任務(wù)調(diào)度器SCH_Dispatch_Tasks（），根據(jù)任務(wù)隊(duì)列的狀念安排任務(wù)的執(zhí)行。

 

這種編程結(jié)構(gòu)避免了超級(jí)大循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)時(shí)間隨代碼量的增加而線性增加的問題，但是由于任務(wù)是不可剝奪的，一旦任務(wù)啟動(dòng)執(zhí)行，任務(wù)調(diào)度器只有在當(dāng)前任務(wù)完成后才有機(jī)會(huì)執(zhí)行，這就要求每個(gè)任務(wù)占用CPU的時(shí)間不能太長，否則將影響整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。所以，F(xiàn)FT運(yùn)算在這種編程模式下還是必須進(jìn)行有效的拆分，否則就必須提高CPU的檔次或使用可剝奪型的搶先式RTOS，這勢(shì)必造成系統(tǒng)成本的增加。那么有沒有更好的解決辦法呢？

 

下面的編程結(jié)構(gòu)塒“時(shí)間觸發(fā)編程模式”進(jìn)行了改進(jìn)，使之在不提高硬件成本的情況下，使編程人員更直觀地定義任務(wù)，減少任務(wù)特性對(duì)系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)的沖擊，使程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明了并提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。

 

 

根據(jù)多年嵌入式系統(tǒng)編程的經(jīng)驗(yàn)，通常嵌入系統(tǒng)的任務(wù)可以劃分成3種類型：

 

①及時(shí)型任務(wù)。這類任務(wù)是事件觸發(fā)型的，一旦事件發(fā)生，系統(tǒng)必須在限定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)這類任務(wù)，最自然的方法就是使用中斷來完成，即定義成“前后臺(tái)方式”中的后臺(tái)任務(wù)。

 

②周期型任務(wù)。這類任務(wù)是時(shí)間觸發(fā)式周期型的，系統(tǒng)必須保證在指定的周期內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，“時(shí)間觸發(fā)編程模式”可以很好地滿足這類任務(wù)的需求。

 

③背景型任務(wù)。這類任務(wù)是非實(shí)時(shí)型的，實(shí)時(shí)性不是非常重要，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可隨時(shí)中斷這類任務(wù)以便執(zhí)行前兩類任務(wù)，系統(tǒng)只要能充分利用資源盡最大可能快速完成這類任務(wù)即可，這類任務(wù)最適合定義成“前后臺(tái)方式”中的前臺(tái)任務(wù)。

 

根據(jù)以上任務(wù)分類，對(duì)“時(shí)間觸發(fā)編程模式”的改進(jìn)可概括成以下需求：

 

◆任務(wù)分3類，1類任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，3類任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低；

 

◆高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可中斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行，同級(jí)的任務(wù)之間不可相互剝奪；

 

◆實(shí)際沒計(jì)中為提高系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性，應(yīng)盡量減少1類任務(wù)的數(shù)量及1類任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間；

 

◆為降低系統(tǒng)資源的占用，系統(tǒng)不給任務(wù)劃分單獨(dú)的堆棧空間。

 

以上改進(jìn)的本質(zhì)是設(shè)計(jì)3個(gè)優(yōu)先級(jí)的簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可中斷低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間不能相互剝奪，該調(diào)度機(jī)制不為每個(gè)單獨(dú)的任務(wù)保存任務(wù)上下文和單獨(dú)的堆棧，這樣可以減少該編程模式對(duì)系統(tǒng)資源的需求。

 

可剝奪式RTOS中的一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)中斷一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)時(shí)，會(huì)保存好低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的上下文并把該低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的局部變量保存在本任務(wù)單獨(dú)的堆棧中，如果系統(tǒng)不給任務(wù)分配單獨(dú)的堆棧，如何保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)退出后，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行環(huán)境的恢復(fù)呢？

 

對(duì)這個(gè)問題，可以借鑒中斷的處理機(jī)制用以下辦法予以解決：

 

①在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)中斷函數(shù)，該函數(shù)的功能就是執(zhí)行周期性任務(wù)的調(diào)度，該定時(shí)中斷在所有中斷中優(yōu)先級(jí)最低。

 

②在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)另一個(gè)定時(shí)中斷函數(shù)，該函數(shù)的功能是刷新周期型任務(wù)的任務(wù)管理隊(duì)列，為任務(wù)調(diào)度提供支持，本定時(shí)中斷函數(shù)的優(yōu)先級(jí)在系統(tǒng)中次低。

 

③周期型任務(wù)就是一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)入口的第一個(gè)操作是開中斷，允許任務(wù)執(zhí)行期間被中斷以便響應(yīng)及時(shí)型任務(wù)。

 

④背景型任務(wù)就是在主函數(shù)超級(jí)循環(huán)中執(zhí)行的代碼，該代碼可隨時(shí)被及時(shí)型和周期型任務(wù)中斷，當(dāng)系統(tǒng)沒有及時(shí)型任務(wù)和周期型任務(wù)時(shí)才循環(huán)執(zhí)行背景型任務(wù)的代碼。

 

通過以上措施，“改進(jìn)型時(shí)間觸發(fā)編程模式”的程序結(jié)構(gòu)如下：

 

使用“改進(jìn)型時(shí)間觸發(fā)編程模式”進(jìn)行小型嵌入式系統(tǒng)編程，就像使用RTOS進(jìn)行編程一樣，設(shè)計(jì)者規(guī)劃好任務(wù)后，就可以專心于每個(gè)任務(wù)的設(shè)計(jì)，任務(wù)對(duì)處理器時(shí)間的占用可以由系統(tǒng)統(tǒng)一管理，減少任務(wù)之間的耦合，使產(chǎn)品的程序設(shè)計(jì)和改動(dòng)都變得簡(jiǎn)潔清楚。使用該編程模式很好地解決了譬裝式智能配電儀表所面臨的復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題，證明該方法簡(jiǎn)單有效。目前該設(shè)計(jì)模式僅僅設(shè)計(jì)了任務(wù)調(diào)度器，任務(wù)間的變量傳遞還需要使用全局變量，如果能加入信號(hào)量和消息機(jī)制，那么該模式將更加完善。