引言

市面上有很多優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），但在中低端微控制器（MCU）上運行性能良好的RTOS內(nèi)核并不多。在高檔機下，功能強大、運行極好的嵌入式實時操作系統(tǒng)，移植到中低端機上時性能很可能大幅度下降。一個很重要的原因就是它的大部分功能對中低檔系統(tǒng)來說是不需要的，反而成為制約性能的累贅。中低檔微控制器與高檔機相比，一方面，尋址能力有限，處理速度慢，在相同的實時性能要求下，對內(nèi)核的代碼效率的要求更為嚴格；另一方面，中低檔機完成的任務相對簡單，減少了對內(nèi)核的功能需求，比如可以不需要內(nèi)存管理。從嵌入式系統(tǒng)的共性來說，大多數(shù)情況下用戶程序和系統(tǒng)內(nèi)核是緊密結合在一起的，運行時存儲器容量消耗、任務的數(shù)量、執(zhí)行時間和結果都是可以預計的，這可進一步縮小對內(nèi)核的功能需求。

事件驅動的觀點認為，任務應該是被動地響應外界發(fā)生的各種事件，而不是主動地去“查詢”，浪費處理器時間。采用事件驅動編程的方法，不僅提高了運行效率，而且降低了事件處理之間的耦合，使程序流程非常清晰，從而可大大提高開發(fā)效率。

充分考慮中低端微控制器的硬件特點和嵌入式系統(tǒng)軟件的需求，引入“事件驅動”的觀念，開發(fā)了一個微型的搶占式多任務RTOS內(nèi)核—— MicroStar。支持任務的動態(tài)創(chuàng)建、刪除、睡眠、掛起和恢復，提供消息（message）和信號（signal）兩種任務間的通信方案、完善的定時器服務和功能齊全的任務同步函數(shù)庫。限于篇幅，著重論述幾個與眾不同的設計思路和實現(xiàn)難點。

1 調(diào)度策略

1.1 基于事件的優(yōu)先級

對內(nèi)核的實時性能來說，調(diào)度策略是關鍵。好的調(diào)度策略，既要體現(xiàn)各任務因所處理的事件對實時性的不同要求而帶來的優(yōu)先級差異，又要保證一定的公平性，避免出現(xiàn)低優(yōu)先級任務長時間得不到執(zhí)行的極端情形。常用的調(diào)度策略有兩種：一種是按時間片輪轉（round robin）調(diào)度，如RTX51；另一種是嚴格按優(yōu)先級的占先式調(diào)度，如μC/OS。

按時間片輪轉調(diào)度能很好地保證公平，但優(yōu)先級的差異是通過對處理器的占用時間的多少來體現(xiàn)的。如果各個任務都不主動放棄執(zhí)行，高優(yōu)先級的任務能夠比低優(yōu)先級任務獲得更多的處理器時間；但在嵌入式系統(tǒng)中，某個事件要求實時處理，并不意味著該處理需要較長的時間，而往往是要求盡快響應。因此，采用按時間片輪轉調(diào)度，實時性不會太好。

如果嚴格按任務的優(yōu)先級來調(diào)度，可極大地提升系統(tǒng)的實時性，但卻欠缺公平。如果高優(yōu)先級任務是個無等待的死循環(huán)，低優(yōu)先級任務就無法獲得執(zhí)行機會。

一個好的辦法是兩者的結合，即可由任務的優(yōu)先級產(chǎn)生調(diào)度，也可以由時間片到產(chǎn)生新的任務調(diào)度，如VxWorks；但是實現(xiàn)起來較為復雜，不一定適合中低檔MCU。為此，基于以下事實，提出“基于事件的優(yōu)先級（events based priority）”這一新觀念。

① 一個任務往往處理多個事件，各個事件對實時性的要求不盡相同。一般的RTOS下，任務的優(yōu)先級是根據(jù)這些事件中對實時性要求最高的一個來確定的。因此，高優(yōu)先級任務在處理對實時性要求不高的事件時，完全可能會妨礙低優(yōu)先級任務處理具有一定實時性要求的事件。

② 有些情況下，對同一事件的處理可分為前臺處理和后臺處理：前臺處理所需時間短，對實時性有較高的要求；后臺處理花費時間長，對實時性則無多大要求。

如果根據(jù)正在處理和等待處理的事件對實時性的不同要求，更細致地按事件處理的前后臺階段，動態(tài)地調(diào)整任務的優(yōu)先級，采用優(yōu)先級調(diào)度策略，既可發(fā)揮實時性好的優(yōu)點，又可在一定限度內(nèi)保證公平。這種情況下，任務的優(yōu)先級不再是一成不變的，而是動態(tài)地取決于所處理的事件和處理階段，這就是所謂的 “基于事件的優(yōu)先級”。

1.2 在MicroStar中的實現(xiàn)

MicroStar中任務的優(yōu)先級是由靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級共同決定的。靜態(tài)優(yōu)先級等同于其它RTOS中的優(yōu)先級；動態(tài)優(yōu)先級為基于事件的優(yōu)先級——由內(nèi)核根據(jù)任務正在處理和等待處理的事件動態(tài)調(diào)整。靜態(tài)優(yōu)先等級限定為0~15級，不允許創(chuàng)建靜態(tài)優(yōu)先級相同的任務。動態(tài)優(yōu)先等級目前只有 0（亦稱緊急級）、1（亦稱普通級）兩級。任務的實際優(yōu)先等級可由下式來計算：

優(yōu)先等級＝動態(tài)優(yōu)先等級×16 + 靜態(tài)優(yōu)先等級。

優(yōu)先等級值越大，優(yōu)先級越低。可以看出，動態(tài)優(yōu)先級起決定作用。

怎樣實現(xiàn)優(yōu)先級動態(tài)可調(diào)呢？首先簡要介紹MacroStar中任務的四個狀態(tài)：

休眠（dormant）——任務因調(diào)用睡眠函數(shù)、掛起函數(shù)或者等待內(nèi)核同步對象而進入休眠態(tài)；

等待（waiting）——任務因等待消息或者信號（勿與“信標”、“信號量”相混淆）而進入等待態(tài)；

就緒（ready）——任務運行的條件都已俱備，只等被調(diào)度，稱為就緒態(tài)，亦稱可調(diào)度態(tài)；

運行（running）——任務正在使用處理器的資源，稱為運行態(tài)。

這些狀態(tài)都是用標志位來實現(xiàn)的。16個靜態(tài)優(yōu)先級對應的任務的某一狀態(tài)剛好可用一個16位的二進制數(shù)來標識。休眠態(tài)用 os_slpState來表示，從高位算起，第N位為0表示靜態(tài)優(yōu)先級為N的任務處于休眠態(tài)。等待態(tài)是依據(jù)“事件驅動”觀念而專為消息和信號而設計的，用 os_rdyhState和os_rdyState兩個16位的變量來記錄。只有當os_rdyhState和os_rdyState的第N位均為0時，才表示靜態(tài)優(yōu)先級為N的任務處于等待態(tài)。如果任務處于非等待狀態(tài)，意味著任務已在處理事件或者有事件要處理（可以認為任務一開始就處理“啟動”這個“虛擬事件”），這時，才有動態(tài)優(yōu)先級的概念。如果os_rdyhState中的第N位為1，表示靜態(tài)優(yōu)先級為N的任務的動態(tài)優(yōu)先級為緊急級；如果 os_rdyhState第N位為0，則表示靜態(tài)優(yōu)先級為N的任務的動態(tài)優(yōu)先級為普通級。要求實時處理的事件發(fā)生后，內(nèi)核簡單將os_rdyhState 相應位置1，提升任務的動態(tài)優(yōu)先級；當前事件處理完畢后，如果已無實時性要求較高的事件等待處理，簡單地將os_rdyhState相應位清0，降低任務的動態(tài)優(yōu)先級。由此，即可實現(xiàn)優(yōu)先級的動態(tài)可調(diào)。只有當任務既不處在休眠態(tài)也不處在等待態(tài)時，任務才是可以調(diào)度的。

2 任務管理

2.1 任務控制塊

多任務系統(tǒng)中用任務控制塊（TCB）來記錄任務的各種屬性。在這些屬性中，最重要的是任務堆棧棧頂?shù)刂贰＿M行上下文切換（context switch）時，被停止執(zhí)行的任務的所有寄存器狀態(tài)、下一條代碼的地址都要入棧保護，因而這個屬性是必需的。如果允許修改任務的優(yōu)先級，優(yōu)先級屬性也是必需的。所以，將任務控制塊簡化如下：

typedef struct{

uint_16 msg［2］; /*消息接收區(qū)*/

int * sp; /*堆棧棧頂指針*/

uchar priority; /*靜態(tài)優(yōu)先級*/

uchar reserved; /*保留 */

}TCB，*PTCB;

TCB os_tcbs［ USER_TASK_NUM +1 ］;

/*用戶任務數(shù)最多為15個*/

msg用來存儲發(fā)送給任務的消息，兩個16位的二進制可按位存放32個消息。sp指向任務堆棧棧頂。priority記錄任務的靜態(tài)優(yōu)先級。數(shù)組os_tcbs用來記錄系統(tǒng)所有任務的信息，其下標與任務的ID號相對應，即ID號為N的任務的控制塊為os_tcbs［N］。

2.2 任務的創(chuàng)建

os_CreateTask函數(shù)用來創(chuàng)建一個任務：

void os_CreateTask（

TASKPROC task， //任務函數(shù)的指針

uchar taskId， //任務的ID號

uchar priority， //優(yōu)先級

int * pStack， //任務堆棧棧底地址

void * param //任務函數(shù)的入口參數(shù)

）;

typedef void （*TASKPROC）（ void * param）;

創(chuàng)建任務時，內(nèi)核要做以下幾方面的工作：① 初始化任務控制塊；② 初始化任務堆棧，使其如同被其它任務搶斷時的情形；③ 將任務狀態(tài)置為就緒態(tài)。該函數(shù)是依賴于處理器的，圖1是較為通用的描述。

中斷程序中，在高優(yōu)先級任務剝奪低優(yōu)先級任務之前，內(nèi)核將斷點時的各寄存器狀態(tài)入棧保護，這部分區(qū)域即為寄存器映像區(qū)。將任務退出函數(shù) os_Exit的地址先于任務函數(shù)MyTask入棧，以使MyTask函數(shù)退出后返回到os_Exit中去，由此來實現(xiàn)任務的自動刪除。

2.3 任務切換

與任務創(chuàng)建一樣，任務切換代碼與硬件相關。在PC機上，代碼和步驟如下：

void interrupt os_Schedule（ ）…………（1）

{

if（ os_nLayers ）return;

os_nLayers++; …………（2）

_DX = （int）os_pCurTCB;

/*os_pCurTCB指向當前任務的控制塊*/

*（int*）（_DX+4） = _SP;

*（int*）（_DX+6） = _SS; …………（3）

os_GetReadyTask（ ）; …………（4）

_DX = （int）os_pCurTCB;

_SP = *（int*）（_DX+4）;

_DX = *（int*）（_DX+6）;

_SS = _DX; …………（5）

os_nLayers--;？ …………（6）

UNLOCK_INT（ ）;

} …………（7）

（1）利用C語言interrupt關鍵字使各寄存器入棧保護。（2）鎖定調(diào)度器，不允許重調(diào)度。（3）將當前任務的棧頂?shù)刂罚ㄓ啥褩６渭拇嫫鱏S和棧指針寄存器SP組成）保存在os_pCurTCB-》sp中（PC機下，TCB中的sp定義為遠指針類型）。（4）選出優(yōu)先級最高的就緒任務（方法類似于μC/OS），并將os_pCurTCB指向新任務的控制塊。（5）棧寄存器指向新任務的棧頂?shù)刂贰＃?）解鎖調(diào)度器。（7）各寄存器出棧，恢復到上次被中斷時的情形。

3 消息與信號

為很好地支持事件驅動編程，MicroStar借鑒了Windows的“基于消息，事件驅動”觀念，并加以擴展。在MicroStar中，事件不僅可以觸發(fā)消息、信號，而且由事件觸發(fā)的消息或信號是有優(yōu)先級的，這是因為不同事件對處理的實時性要求是不同的。內(nèi)核正是根據(jù)消息、信號的優(yōu)先級來動態(tài)調(diào)整任務的動態(tài)優(yōu)先級的。

3.1 消 息

消息是一種很友好的通信方式。考慮中低檔單片機的內(nèi)存容量和需求，將消息簡化為一個0~31的值。采用固定位圖存儲格式，將這32個值映射到任務控制塊的msg域，這大大減小了存儲空間。可將msg域看作一個32位的二進制變量，第i位為1，表示有值為i的消息，因此消息的存取只需通過簡單的“與”、“或”運算。消息的優(yōu)先級依值而定，值越大，優(yōu)先級越低。在系統(tǒng)范圍內(nèi)，消息優(yōu)先級又分為兩級：緊急級（值0~15）與普通級（值 16~31）。當有緊急消息發(fā)送給任務時，內(nèi)核會提升任務的動態(tài)優(yōu)先級，從而提高消息處理的實時性。當任務無緊急消息要處理時，內(nèi)核就降低它的動態(tài)優(yōu)先級。發(fā)送消息的核心代碼如下：

/*const uint_16 os_maskTable［16］ ={ 0x8000，0x4000， 。..。.，0x0008，0x0004，0x0002，0x0001 */

if（ msg&0xF0 ） { /*普通級消息*/

pTCB-》msg［1］ |= os_maskTable［msg&0x0F］;

/*普通級消息存在msg［1］中*/

os_rdyState |= os_maskTable［pTCB-》priority］;

}

else { /*緊急級消息*/

pTCB-》msg［0］ |= os_maskTable［msg］; ;

/*緊急級消息存在msg［0］中*/

os_rdyhState |= os_maskTable［pTCB-》priority］;

/*提升動態(tài)優(yōu)先級*/

}

與先進先出（FIFO）方式的消息隊列不同，內(nèi)核總是取出優(yōu)先級最高的消息來交給任務處理。消息接收函數(shù)os_GetMessage設計思路如下：如果消息接收區(qū)中無緊急消息，則降低任務的動態(tài)優(yōu)先級；如果消息接收區(qū)中有消息，則取出優(yōu)先級最高的消息；如果沒有消息，則將任務轉為等待態(tài)。考慮有時候不希望任務進入等待態(tài)，MicroStar還提供了非阻塞的os_PeekMessage消息接收函數(shù)。

3.2 信 號

在嵌入式系統(tǒng)編程中，常利用標志位來實現(xiàn)前后臺程序或不同的任務間的通信。MicroStar也提供了類似的任務間的通信方式——信號（signal）。它避免了用戶程序因不斷查詢標志位而帶來的時間浪費，而且支持信號間的“與”、“或”運算。通俗來說，信號就是標志位，用來標識某個事件的發(fā)生。同消息一樣，信號也有緊急級與普通級之分。與消息不同的是，信號完全由用戶程序創(chuàng)建和維護，內(nèi)核只是幫助用戶程序等待信號，以避免低效率的標志位查詢。使用起來不如消息直觀，但執(zhí)行效率較高。實現(xiàn)起來非常簡單，請參見源碼。

4 定時器

定時器在嵌入式系統(tǒng)有著大量的用途，如LED的定時刷新、串口通信中的超時檢查。對定時器的需求分為兩類，一種是周期性重復定時，比如每隔 10ms去刷新LED；另一種是僅需定時一次的一次性定時。定時時長以系統(tǒng)時鐘節(jié)拍（tick，又譯作滴達）作為單位。兩次系統(tǒng)定時中斷之間的時間間隔為一個節(jié)拍。定時器結構體如下：

typedef struct{

uint_16 elapse; /*定時時長的余值*/

uint_16 backTime; /*定時時長的備份值*/

MSG timerId; /*定時器ID號*/

uchar taskId; /*擁有該定時器的任務的ID*/

TIMERPROC lpTimerFunc; /*定時調(diào)用的函數(shù)指針*/

}TIMER，*PTIMER;

TIMERos_timers［USER_TIMER_NUM］; /*最多為16個*/

周期性定時和一次性定時是通過timerId來區(qū)分的。如果timeId為64，為一次性定時；如果timerId不大于32，則為周期性定時。用os_timers數(shù)組記錄定時器信息，用16位的os_timerState表示定時器的狀態(tài)。如果os_timerState的二進制數(shù)的第 N位為1，則表示os_timers［N］空閑可用。

對周期性定時器，每隔定時時長的時間，內(nèi)核就調(diào)用的lpTimerFunc指向的函數(shù)，并且將timerId以消息的方式發(fā)送給任務，對任務的動態(tài)優(yōu)先級的影響與普通消息一樣。因此，要想取得實時性較好的定時器，只需將timerId設在0~15之間。與一次性定時相關的是睡眠函數(shù)和限時等待同步對象的函數(shù)。任務使用這兩個函數(shù)而進入休眠態(tài)后，在定時時間到時，內(nèi)核將其恢復為就緒態(tài)，并自動釋放定時器資源。系統(tǒng)定時處理的核心代碼如下：

if（ ！（--pTimer-》elapse） ）{ /*elapse減為零表示時間到*/

if（ pTimer-》lpTimerFunc）（*pTimer-》lpTimerFunc）（pTimer-》

taskId，pTimer-》timerId）;

switch（ pTimer-》timerId&0xF0 ）{

case SLEEP_ID： /*一次性定時*/

os_slpState |= taskMask; /*結束休眠態(tài)*/

os_timerState |= timerMask; /*釋放定時器*/

break;

case 0x00： /*發(fā)送緊急級定時器消息*/

pTCB-》msg［0］ |= os_maskTable［pTimer-》timerId］;

os_rdyhState |= os_maskTable［pTCB-》priority ］;;

break;

case 0x10： ： /*發(fā)送普通級定時器消息*/

pTCB-》msg［1］ |= os_maskTable［pTimer-》timerId&0x0f］;

os_rdyState |= os_maskTable［pTCB-》priority ］;;

}

}

5 同 步

搶占式多任務下，低優(yōu)先級的任務可以被高優(yōu)先級任務打斷執(zhí)行。以常規(guī)方式訪問共享變量或資源時，會出現(xiàn)奇怪的結果。比如，一個任務調(diào)用 printf（“12345”）試圖在輸出設備上輸出“12345”，但執(zhí)行中被高優(yōu)先級任務打斷；而高優(yōu)先級任務也調(diào)用printf（“67890”） 試圖輸出“67890”，最終的輸出結果可能是“1267890345”之類。這就是多任務環(huán)境下的任務同步問題。

同步方式有兩種，一種為用戶同步方式，不需要與內(nèi)核打交道，具有速度快的優(yōu)點，但只適合保護執(zhí)行時間短的代碼；另一種是內(nèi)核同步方式，需要通過內(nèi)核來實現(xiàn)，速度相對較慢，但可保護執(zhí)行時間長的代碼。

5.1 用戶同步方式

用戶方式下的同步是通過關鍵代碼段（critical section）保護來實現(xiàn)。關鍵代碼段是指這樣一小段代碼，它執(zhí)行時必須獨占對某些共享資源的訪問權，不允行被其它試圖訪問該資源的代碼打斷。最簡單的是得用關/開中斷來實現(xiàn)，優(yōu)點是速度極快，缺點是帶來中斷延遲，只適合執(zhí)行時間極短的代碼段。另一簡單的方案是通過加鎖/解鎖調(diào)度器來實現(xiàn)，即在關鍵代碼段執(zhí)行期間禁止內(nèi)核進行任務切換。采用這種方法，不會帶來中斷延遲，但帶來了調(diào)度延遲。在MicroStar中，對os_nLayers加1即可鎖定調(diào)度器，減1即可解鎖。但直接利用解鎖調(diào)度器來離開關鍵代碼段并不合適。如果在關鍵代碼段執(zhí)行中，發(fā)生了中斷，使更高優(yōu)先級任務就緒。但由于調(diào)度器被鎖定，中斷程序退出時不能進行任務切換以使高優(yōu)先級任務執(zhí)行。因此我們希望，最好一旦調(diào)度器解鎖，馬上就切換到高優(yōu)先級任務。為此，專門用變量os_flag的最低位作為標志位，中斷程序中調(diào)用任何可以使任務就緒的系統(tǒng)函數(shù)都會影響到該標志位，如os_PostMessage、 os_SetEvent，os_Notity。退出關鍵代碼段時以此來判斷是否需要進行任務調(diào)度。離開臨界代碼段時的代碼如下：

if（ （os_flag&0x01） && （！（--s_nLayers ） ） ） {--os_Schedule（ ）; }

5.2 內(nèi)核同步對象

如果要保護執(zhí)行時間較長的代碼，就要使用內(nèi)核同步對象來同步。常用的內(nèi)核同步對象有事件（event）、信標（semaphore，亦稱信號量）和互斥量（mutex）。 事件對象用來通知事件或者操作已經(jīng)完成，它用一個布爾值來表示該事件處于通知還是未通知狀態(tài)。信標對象用于對資源進行計數(shù)。它記錄了當前可用的資源數(shù)目。當用1來初始化信標對象的可用資源數(shù)目時，信標對象實際上成為了互斥對象。MicroStar提供事件和信標兩種同步對象，支持查詢、限時等待或無限時等待操作。內(nèi)核同步對象的結構如下：

typedef struct{

uint_16 waiter; /*等待列表*/

uchar num; /*可用資源數(shù)目或者事件狀態(tài)*/

uchar type; /*同步對象類型*/

}OBJECT，*POBJECT，*HOBJECT，*HEVENT，*HSEMAPHORE;

當一個任務因等待同步對象而進入休眠態(tài)時，它的靜態(tài)優(yōu)先級按位存放在waiter域中。如果靜態(tài)優(yōu)先級為N的任務在等待某個同步對象，則 waiter二進制數(shù)中第N位置1，以示等待。當type為EVENT_OBJECT時，表示事件對象，此時num為事件狀態(tài)，1表示通知態(tài)，0表示未通知態(tài)；為SEMAPHORE_OBJECT時，表示信標對象，對應的num為可用資源數(shù)。

內(nèi)核同步對象不是嵌入式多任務系統(tǒng)特有的，通用的多任務操作系統(tǒng)如Windows都提供齊全的同步函數(shù)，在此不作介紹。

6 運用和使用示例

在MicroStar中，各個功能模塊是分開的，因而可裁減度高。移植MicroStar也比較容易，只需改寫與硬件相關的任務創(chuàng)建和調(diào)度函數(shù)。MicroStar1.0的PC機完全版本的代碼約為10KB，針對96單片機用匯編語言寫成的版本為1.4KB。本文附帶的演示示例，都在 TC2.0下編譯通過，可直接在PC機上運行。第一個示例啟動了三個用戶任務：① WatchTask任務在屏幕中央顯示一個以10ms為計時單位的跑表。② KeyTask 任務每隔200ms讀一次鍵盤，按“Q”鍵系統(tǒng)退出執(zhí)行。③ MicroStar 任務顯示MicroStar相關信息，每隔1.5s更新一幀。

結 語

本文提出了基于事件的優(yōu)先級這一觀念，使任務優(yōu)先級的安排更為合理。介紹了微型多任務實時內(nèi)核——MicroStar的設計與實現(xiàn)。消息和信號兩種通信方式的提供，使其對事件驅動編程有很好的支持。較為完善的定時器服務和齊全的任務同步函數(shù)庫，給用戶提供了更多、更靈活的選擇。有限的功能，使其與其它實時操作系統(tǒng)相比，減小了從技術掌握上所花費的時間。加上較低的存儲器消耗，總體上說，MicroStar是比較適合在中低端MCU平臺上運行的。

責任編輯：gt