利用实时内核开发嵌入式多任务程序
利用实时内核开发嵌入式多任务程序 关键词：实时内核 多任务 任务构造 嵌入式系统 随着嵌入式系统的广泛使用，传统的前台/后台程序开发机制已经不能满 足日益复杂和多样化的嵌入式应用需求，因而常常采用嵌入式实时操作系统内核 （简称实时内核）开发实时多任务程序。嵌入式实时内核提供多任务、任务管理、 时间管理、任务间通信和同步、内存管理等重要服务，使嵌入式应用程序容易设 计和扩展。内核是管理微处理器或者微控制器时间的软件，确保所有时间关键的 事件尽可能高效地得到处理；允许将系统分成多个独立的任务，每个任务处理程 序的一部分，从而简化系统的设计过程。
一、非抢占式内核和抢占式内核 实时内核分为两种：非抢占式内核和抢占式内核。这两种内核都由中断服 务例程（ISR）处理异步事件。在非抢占式内核中，一个ISR使优先级更高的任务 就绪，并不立即将CPU控制权交给优先级高的任务，而是返回到被中断的当前任 务。只有当前任务执行某种操作明确放弃CPU时，优先级高的新任务才得到CPU 控制权。非抢占式内核对实时事件的响应时间不确定，因而极少在实时应用中使 用。图1所示为非抢占式内核程序流程：①低优先级任务（LPT）执行；
②低优 先级任务被中断；
③执行中断服务例程，使高优先级任务（HPT）就绪；
④中断 服务例程返回到被中断的低优先级任务；
⑤低优先级任务继续执行；
⑥低优先级 任务放弃CPU；
⑦高优先级任务运行。
目前在大多数嵌入式实时多任务系统应用中，对系统实时响应要求很高， 因此采用抢占式内核确保时间关键的任务最先执行，使优先级最高的就绪任务总 是最先得到CPU控制权。优先级低的当前任务能够被优先级更高的任务抢占，暂 时挂起执行，将CPU控制权交给优先级高的任务。图2所示为抢占式内核程序流 程：①低优先级任务执行；
②异步事件使任务中断；
③响应异步事件，运行中断 服务例程，使高优先级任务就绪；
④中断服务例程返回到高优先级任务；
⑤高优 先级任务执行，直到它被中断转向执行优先级更高的任务；
⑥高优先级任务结束， 内核切换到低优先级任务；
⑦低优先级任务继续执行。
二、多任务 利用实时内核开发嵌入式多任务系统程序，要根据明确的设计目的确认系统功能，将系统功能合理分解，构造不同的任务，使每个任务负责完成应用要求 的一部分功能；
并根据任务相对于其他任务的重要性决定其优先级。多个任务彼 此独立运行，具有独立的私有堆栈空间，在被其他进程抢占时能够保持任务执行 线程的上下文。
1.任务 任务是单线程序列指令形成的一个无限循环，在系统程序中用函数表示 （如下）。任务执行时要调用内核提供的服务，以等待某个事件发生。事件可以 是定时间，或者是另一个任务、一个中断服务例程发出事件通知。
Void Task (void) { While (true) { Run Application-specific codes;
Wait for event by calling a service provided by the kernel;
Run Application - specific codes;
} } 2.任务管理 每个任务有5种状态；
休眠、就绪、运行、等待、中断。图3所示为任务之 间的状态转换。休眠状态的任务驻留在存储器中，还未被内核使用；
就绪状态的 任务准备执行，优先级低于当前执行的任务，没有得到CPU控制权；
任务得到CPU 控制权后就处于运行状态；
等待事件发生的任务处于等待状态，事件可以是I/O 操作完成、共享资源可以利用、时钟脉冲发生等；
任务执行过程被中断服务例程 中断，任务就处于中断状态。
实时内核通过任务控制块（TCB）管理任务。TCB数据结构中包括任务的 状态、优先、指向任务栈顶的指针、以及其他与内核有关的信息。程序调用内核 服务（如调用内核函数OSTaskCreate）创建任务，为此任务在内存中分配一个TCB、 进行初始化，使任务从休眠状态转变到就绪状态。任务可以在多任务执行之前静 态创建，也可以在多任务执行过程动态创建。内核为实时多任务应用程序提供任务调度和转换、任务间通信、定时顺等 服务，并作为系统调用提供给任务使用。实时内核以事件为基础、根据任务执行 状态对任务进行切换，任务的状态也随之相应改变。在实时多任务程序中，内存 中存在多个任务控制块以及各个任务独立的私有堆栈。进行任务切换首先要保存 CPU寄存器内容到当前任务堆栈，将堆栈指针保存到当前任务的TCB中，然后从 新任务的TCB中装载堆栈指针，并将新任务上下文装载到CPU寄存器中。这样就 从一个任务转换到另一个任务运行。任务使用这时内核提供的定时器系统调用， 可以保持休眠状态一段时间，或者等待一段时间后成为就绪状态。在实时嵌入式 系统中，外部中断事件产生的任务具有高优先级，因而以抢占方式获得CPU控制 权。
三、任务构造 1.I/O任务构造 根据3种不同的I/O事件；
中断驱动事件、轮询事件、输出事件来构造I/O 任务。轮询事件通常由1个任务实现，实时内核以固定周期对此任务进行调度， 输出事件常被设计为可重入程序而不是任务；
中断驱动事件是一类典型的异步事 件。
下面将以1个简单的串行设备驱动程序来说明I/O分解，突出I/O任务构造 的重要特征。此设备分配得到1个中断向量，在3种情况下产生中断：接收到字符、 输出就绪、设备出错。因为采用抢占式内核，在I/O中断发生进入中断处理例程 以后，程序要保存处理器状态，并根据不同的中断原因进行任务调度；
在中断处 理完成退出中断处理例程之前，还要恢复处理器状态。
设备中断处理：
IF 接收到字符THEN 将字符放入字符接收队列；
执行接收任务；
IF 输出就绪 THEN IF 继续输出 THEN送下一个字符；
ELSE 保存"设备输出就绪"情况；
IF 设备出错 THEN 将错误状态放入错误队列；
执行出错处理任务；
接收任务：
Void Task_receive() { While (true){ Wait on input char queue;
If end of input string then Process input string;
Else Save input;
} } 对于中断事件要合理划分事件的处理级别，尽可能多地在任务级处理，从 而最小化系统中断延迟。对这个串行设备驱动中断的处理就是一个划分事件到中 断级和任务级处理的例子。中断服务例程及时响应实时中断，将实时要求相对低 一些的事件（如字符出错、出错状态处理）交给不同的任务处理。队列是内核提 供的一种任务间通信结构，支持消息发送者和接收者异步访问。在这里用于驱动 程序和任务之间的通信，为驱动程序进程和任务进程提供消息缓冲。设备驱动程 序负责及时响应中断事件，并不关心接收任务的状态。为了简化接收任务的结构， 减小系统延迟，这里将出错处理划分为独立的任务，分配不同的优先级。2.内部任务构造 系统内部任务可以分为：①周期性任务--实时内核基于固定周期调度的任 务；
②异步任务--非周期或事件驱动的任务，内核根据需要进行调度，用于处理 系统内部产生的事件；
③控制对象--为状态机创建的控制任务，用于实现状态转 换；
④用户接口⑤--对应于用户任务，在用户驱动的系统中，用户任务是具有高 优先级。
在嵌入式实时多任务系统中，大部分任务是非周期或事件驱动的异步任务， 其函数形式如下：
Void Task_aperiodic () { While (true){ Wait on an async data structure;
Process input;
Process output;
} } 在异步任务中，驱动任务的异步数据是由实时内核提供的任务间通信数据。
内核为应用程序提供信号量、消息队列、消息邮箱、插口或管道等结构，进行事 件管理和任务间通信。设计这些异步任务时采用合适的数据结构、正确定义数据 能够节省宝贵的调试时间，而且任务处理的函数不能太多，过于复杂，否则会增 加调试的难度。
3.任务合并 利用任务的共同特征进行适当的任务合并，可以简化系统任务模型、减小 系统复杂度、消除某些任务的切换开销从而减少系统总体开销。任务合并可分 为：①根据时间一致合并，将同一事件激活的优先级相同的函数合并在1个任务 中；
②根据控制一致合并，③根据函数一致合并，将几个使用相同数据的函数合 并，使原来共享的数据成为任务内的局部数据，从而减少互斥。结束语 目前有许多厂商提供面向嵌入式应用领域的实时操作系统（RTOS），提 供实时内核、输入/输出管理器、窗口系统、文件系统、网络、语言接口库、调 试器和交叉平台编译器的软件包。其中实时内核为嵌入式多任务程序提供最基本 和最重要的功能。本文从利用实时内核开发多任务应用程序的角度，对实时内核 和任务进行介绍，提出合理构造任务的方法。可以看到，利用实时内核提供的服 务，采用正确的开发方法，可以增加嵌入式实时多任务系统的功能，降低开发方 法，可以增加嵌入式实时多任务系统的功能，降低开发难度。