改進型時間觸發嵌入式系統編程模式

華志斌，李勇，王建偉，劉蘭輝，陳武

（東方英達康自動化技術有限公司 研發部，煙臺 264001）

引 言

目前，RTOS特別是搶先式RTOS在嵌入式系統中的應用越來越廣泛，但是還有很大一部分產品使用是小型單片機。這些系統由于成本的限制，通常資源非常有限，比如ROM往往小于32KB，RAM小于2KB，由于RTOS對每個任務都要開辟單獨內存區域，存放任務的上下文和各任務獨立的堆棧，所以在這種系統中使用RTOS非常勉強。對于這些低成本資源受限系統通常采用“前后臺”（或者叫“超級循環”）結構進行編程，這實際上是一種事件觸發的編程模式，當中斷數目較多且系統完成的功能相對復雜時，就會使系統的程序編寫變得非常復雜并使系統運行的可預測性迅速下降。

針對這個問題，Michael J.Pont提出了一種“基于時間觸發的編程模式”［1］，這種方法有助于降低CPU的負荷并減少存儲器的使用量，提高系統行為的可預測性，并使程序的結構變得簡潔。但是在實際使用中，當系統中不同的任務對時間要求差異較大時，“基于時間觸發的編程模式”難以給出簡單有效的解決方案。為此，對“基于時間觸發的編程模式”進行了改進，使之適應性更強，可以為成本和資源受限的小型嵌入式系統提供統一且有效的編程模式。

1 傳統編程結構的局限性

當不使用RTOS時，嵌入式軟件通常采用兩種傳統的編程結構進行編程，一種叫“前后臺方式”或者叫“超級循環結構”，本質上是事件觸發的編程方式；另一種叫時間觸發編程模式，Michael J.Pont的“基于時間觸發的編程模式”即屬于此。

在實際工作中，當系統稍微復雜時，會發現這兩種方式都有一定局限性，下面以一個實際產品設計中遇到的問題為例來說明。在設計一個用于配電柜的壁裝式智能配電儀表時，CPU的程序設計需完成以下任務：

①每半秒對前顯示屏的顯示數據進行一次刷新。

②每0.1s對DI／DO進行一次刷新。

③每0.2s對鍵盤進行一次掃描。

④每半秒對測量數據進行一次重新采集和計算。

⑤異步串行口與上位機使用Modbus通信，速率最高19 200bps。

⑥CPU通過I2C總線與時鐘芯片和EEPROM通信。

⑦CPU通過SPI總線與LED數碼管及采集芯片通信。

⑧CPU要對所采集的6路信號進行FFT變換。

⑨當系統掉電時，CPU要能快速響應，把當前的電度底數寫入EEPROM中。

上述任務中，任務⑤和任務⑨是強實時性的，如果對串口的收發事件得不到及時響應，接收時會導致字節丟失，發送時會導致字節間時間間隔太大，造成接收方的Modbus幀定界錯誤，對系統掉電事件如果不能及時響應會造成EEPROM的寫入失敗。其他任務只要在指定的周期內能得到執行就行，但是任務⑧比較特殊，使用通常的8位CPU進行6種信號的FFT變換，哪怕每種信號只做128點的FFT，運算一次也要好幾秒。下面來看用傳統編程結構實現上述設計時遇到的困擾。

1.1 使用“前后臺方式”進行編程

使用“前后臺方式”進行編程時，為保證任務⑤的及時性，使用了UART中斷，當UART完成一個字節的收發后產生中斷，在中斷程序中將接收到的字符保存在接收緩沖區或從發送緩沖區取下一個待發字符裝入UART進行發送，對Modbus協議的處理可以單獨用一個任務在中斷外處理，這保證了中斷程序的簡短。為保證任務⑨響應的及時性，也必須為它安排一個中斷。因為當系統掉電時，系統只有不到10ms的過渡時間，系統如果不能在這個時間內完成相關的操作，系統電壓將跌落至有效電壓以下而喪失工作能力。

安排好了后臺的中斷任務后再來看看前臺的任務如何完成。這里遇到的最大的挑戰是對任務⑧的處理，因為任務⑧需要的執行時間太長了，簡單的把它當成一個任務處理將影響系統對其他任務的響應，在超級循環中的代碼結構如下：

由于任務⑧執行一次要幾秒鐘的時間，整個超級循環執行一次至少大于任務⑧需要的時間，也就是說這個超級循環循環一次要幾秒鐘時間，將滿足不了各任務響應時間的要求。

要解決這個問題，只有把任務⑧拆分成很多個子任務，將每個子任務的耗時壓縮到10ms左右，并定義好各個子任務完成后的狀態，在超級大循環中每次根據狀態只執行一個子任務，程序結構如下：

這樣，就需要把一個耗時幾秒的FFT運算任務拆分成幾百個耗時10ms左右的子任務，這顯然是不可接受的。除此之外，超級大循環結構隱含的一個缺點就是隨著任務的增加，循環體的執行時間是線性增加的，在實際設計中即使沒有像任務⑧那樣的高耗時任務，當系統功能增加時要保證系統響應的及時性也是一個不小的挑戰。

1.2 使用“時間觸發編程模式”進行編程

“時間觸發編程模式”的核心是建立一個基于時間觸發的合作式的任務調度器，在系統中盡量減少事件觸發（減少中斷的使用），系統通過任務調度器完成各任務的調度執行，下面是“時間觸發編程模式”的典型程序結構：

系統中每個任務都定義了優先級、任務循環周期和任務延遲時間，系統定時器中斷程序SCH＿Update（）按設定的節拍對任務隊列進行刷新，在超級大循環中只執行任務調度器SCH＿Dispatch＿Tasks（），根據任務隊列的狀態安排任務的執行。

這種編程結構避免了超級大循環結構循環時間隨代碼量的增加而線性增加的問題，但是由于任務是不可剝奪的，一旦任務啟動執行，任務調度器只有在當前任務完成后才有機會執行，這就要求每個任務占用CPU的時間不能太長，否則將影響整個系統的響應速度。所以，FFT運算在這種編程模式下還是必須進行有效的拆分，否則就必須提高CPU的檔次或使用可剝奪型的搶先式RTOS，這勢必造成系統成本的增加。那么有沒有更好的解決辦法呢？

下面的編程結構對“時間觸發編程模式”進行了改進，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，減少任務特性對系統程序結構的沖擊，使程序結構簡單、明了并提高系統的實時響應速度。

2 對“時間觸發編程模式”的改進

根據多年嵌入式系統編程的經驗，通常嵌入系統的任務可以劃分成3種類型：

①及時型任務。這類任務是事件觸發型的，一旦事件發生，系統必須在限定的時間內進行響應，對這類任務，最自然的方法就是使用中斷來完成，即定義成“前后臺方式”中的后臺任務。

②周期型任務。這類任務是時間觸發式周期型的，系統必須保證在指定的周期內執行任務，“時間觸發編程模式”可以很好地滿足這類任務的需求。

③背景型任務。這類任務是非實時型的，實時性不是非常重要，系統在運行過程中可隨時中斷這類任務以便執行前兩類任務，系統只要能充分利用資源盡最大可能快速完成這類任務即可，這類任務最適合定義成“前后臺方式”中的前臺任務。

根據以上任務分類，對“時間觸發編程模式”的改進可概括成以下需求：

◆任務分3類，1類任務優先級最高，3類任務優先級最低；

◆高優先級的任務可中斷低優先級任務的執行，同級的任務之間不可相互剝奪；

◆實際設計中為提高系統的可預測性，應盡量減少1類任務的數量及1類任務的執行時間；

◆為降低系統資源的占用，系統不給任務劃分單獨的堆棧空間。

以上改進的本質是設計3個優先級的簡單的任務調度機制，高優先級的任務可中斷低優先級的任務，同優先級的任務之間不能相互剝奪，該調度機制不為每個單獨的任務保存任務上下文和單獨的堆棧，這樣可以減少該編程模式對系統資源的需求。

可剝奪式RTOS中的一個高優先級任務中斷一個低優先級的任務時，會保存好低優先級任務的上下文并把該低優先級任務的局部變量保存在本任務單獨的堆棧中，如果系統不給任務分配單獨的堆棧，如何保證高優先級任務退出后，低優先級任務執行環境的恢復呢？

對這個問題，可以借鑒中斷的處理機制用以下辦法予以解決：

①在系統中設計一個定時中斷函數，該函數的功能就是執行周期性任務的調度，該定時中斷在所有中斷中優先級最低。

②在系統中設計另一個定時中斷函數，該函數的功能是刷新周期型任務的任務管理隊列，為任務調度提供支持，本定時中斷函數的優先級在系統中次低。

③周期型任務就是一個函數，該函數入口的第一個操作是開中斷，允許任務執行期間被中斷以便響應及時型任務。

④背景型任務就是在主函數超級循環中執行的代碼，該代碼可隨時被及時型和周期型任務中斷，當系統沒有及時型任務和周期型任務時才循環執行背景型任務的代碼。

通過以上措施，“改進型時間觸發編程模式”的程序結構如下：

結 語

使用“改進型時間觸發編程模式”進行小型嵌入式系統編程，就像使用RTOS進行編程一樣，設計者規劃好任務后，就可以專心于每個任務的設計，任務對處理器時間的占用可以由系統統一管理，減少任務之間的耦合，使產品的程序設計和改動都變得簡潔清楚。使用該編程模式很好地解決了壁裝式智能配電儀表所面臨的復雜的設計問題，證明該方法簡單有效。目前該設計模式僅僅設計了任務調度器，任務間的變量傳遞還需要使用全局變量，如果能加入信號量和消息機制，那么該模式將更加完善。

［1］Michael J.Pont Patterns for time triggered embedded sys－tems：Building reliable applications with the 8051family of microcontrollers［M］.New Jersey：Addison Wesley，2002.

［2］Kopetz H，Bauer G.The time triggered architecture［J］.Proceeding of the IEEE，2003，91（1）.

［3］Michael J Pont，Mark P Banner.Designing embedded systems using patterns：A case study［J］.Systems and Software，2004，71（3）.

［4］廖曉文，廖京盛.時間觸發模式的任務調度與分解策略［J］.單片機與嵌入式系統應用，2006（7）.

［5］李奇，樊曉平.一種時間觸發的多任務調度器設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2008（5）.