一種單片機多任務操作系統的設計與應用

朱德良，吳國強，陳新春

（中電裝備山東電子有限公司，濟南 250101）

在以51系列單片機為內核的嵌入式產品開發過程中經常使用簡單的前后臺系統，在超級循環中依照一定次序進行任務調用，而實時任務利用中斷進行處理，這樣做的好處是處理起來比較簡單方便。但其缺點也很明顯，尤其是在智能電能表領域中，隨著用戶對智能電表功能要求的不斷增加，需要處理的任務量不斷上升時，任務執行的實時性往往難以保證，而且一旦面臨更換硬件平臺的情況，幾乎沒有移植性可言，需要重復較大的工作量。因此，在嵌入式系統中使用實時操作系統來管理任務的調度是嵌入式應用的一個重要趨勢，是單片機高水平應用開發的一個標識[1-3]。

目前嵌入式實時操作系統有很多，如Vxworks、linux、μC/OSII等，但其系統本身就占用了大量的CPU資源，對于8位的51系列單片機來說太過奢侈[4]；文獻[5]在時間觸發的基礎上設計了一種多任務調度器，利用消息傳遞的方式使得控制器在多個任務之間進行切換，得到了較好的效果；文獻[6]則對常用的RTX51實時系統的優缺點進行分析，提出了搶占任務實時處理的重要性。

本文在時間觸發系統的基礎上，增加了搶占式內核的特性，對單片機中多任務操作系統設計提出了具體方法，提高了對搶占任務處理的實時性，并將其成功應用在智能電表中，證明了可行性，且對系統的維護和移植工作提供了方便。

1 系統設計

在嵌入式系統設計時，通常采用時間觸發和事件觸發兩種方式來實現[1]，時間觸發機制為各種任務提供了一個共享的定時器中斷，通過定時器形成對任務的周期性調度，完成任務之間的切換。這種系統在規定事件內只有一個任務在調用直到結束，因此是可預測的、可靠的，但對外部緊急任務可能造成延誤；而事件觸發系統主要是依靠系統的中斷來實現，所以能夠對外部事件進行快速的響應，但如果多個中斷源隨機時間間隔中斷，則中斷響應可能遺漏[1]。

本系統在時間觸發系統的基礎上添加搶占的特性，對普通任務以時間觸發形式按照調度器周期按部就班的進行調用；對緊急任務以搶占式系統進行處理，滿足了緊急任務實時性處理的要求。

1.1 任務結構

任務的結構如下組織，是任務中必要的信息，為了得到快速的存取速度，建議存放在DATA區中。

typedef struct

{

unsigned char realtask；//搶占任務標識

unsigned char priority；//任務優先級，以延時時間為衡量delay，deadline

unsigned char ready；// 任務狀態

unsigned char period；// 時間間隔

TASK（*p_task）（void）；// 任務指針}TASK[MAX_TASK]

MAX_TASK定義其大小，一般在10個以內為佳。

1.2 調度初始化

在系統的初期，初始化調度器是必要的一步，其主要作用是對時間觸發的定時器進行初始化工作，根據系統要求，設定定時器的各個參數，利用定時器中斷形成時間觸發的調度驅動。

在8051系列的單片機中，可以使用定時器T0來完成此項工作，其具體初始化過程為

Initial_Timer0（）

{

1）清空任務序列

2）設置定時器時間間隔數值

3）使能定時器中斷

4）開啟定時器

}

其中，定時器時間間隔數值的設定比較重要，如果時間間隔設定的較長，系統的反應時間就會有影響，造成有的任務執行延誤；如果時間間隔設置過短，反而會降低系統的執行效率，因為過于頻繁的任務調度會消耗過多的系統資源。因此在設定時間間隔數值時應謹慎考慮，建議在 （1～5）ms比較合適。

1.3 調度器的刷新（中斷服務程序ISR）

調度器的刷新任務主要是通過定時器的中斷服務程序對任務進行調度。本系統是允許有搶占式緊急任務和合作式任務共存的，搶占式任務是需要立刻進行處理的，所以在系統中具有最高的優先級，但是搶占式任務的出現打亂了普通任務的執行，所以只有緊系事件才能設為搶占任務，而且處理時間要盡可能的短。這樣，在調度器的每次刷新過程中都要檢測是否有搶占式任務，如果有就直接執行搶占任務；否則判斷各普通任務的優先級，也就是延遲時間，如果到了0說明該任務已需執行，則任務的狀態ready+1，交由調度函數去執行。具體流程如圖1所示。

圖1 調度器的刷新流程圖Fig.1 Flow chart of scheduler updating

void update（void）interrupt2 using1

{

Reset定時器；

檢測是否有搶占任務要運行；

檢測是否有普通任務要運行，ready+1；

還沒有需要運行的任務，優先級減1；

}

1.4 任務增加與刪除

任務的添加函數new_Task（）是在系統運行初期將每個任務添加到任務隊列中，成功時返回值為新任務號task_ID，否則為出錯信息。它有三個參數：分別是任務的函數指針；任務的周期；任務類型。如果任務現有任務量沒有達到最大，將各個參數賦值給TASK結構，則插入任務隊列尾，并返回task_ID；否則返回錯誤（有全局變量task_Num來記錄當前）。

相應的，當任務執行結束后（不需要周期執行的任務），可以將任務從任務隊列中刪除，以保證資源的有效利用。其過程與添加函數正好相反。

1.5 調度函數

調度函數是在主循環中運行的唯一函數，將其與刷新函數相分離是為了防止長任務對系統的影響，其主要作用就是將已經就緒的任務進行執行。其過程為從任務隊列中取出就緒任務 （TASK[i].ready＞0）進行執行，并將其中的優先級恢復為設定的時間間隔period重新開始，如果此任務是一次性任務，則調用任務刪除函數進行清理。

2 應用

目前基于51系列內核的單片機和soc芯片不計其數，本文所描述的操作系統是業余標準的8051系列芯片，因此可以在任何基于8051系列芯片的嵌入式系統中進行移植。

智能電能表系統是一個比較復雜的嵌入式系統，它的MCU需要處理大量的內部外部的任務和設備，其中主要任務有485通信、LCD液晶顯示、按鍵、讀寫E2PROM，紅外通訊，讀取計量芯片、蜂鳴器、ESAM模塊、載波模塊等，如圖2所示。基于傳統的前后臺系統中對于其開發越發復雜，也更加不可控，而將本文所述的系統運用在其中，則有效地降低了開發的復雜性，提高了系統的可控性和魯棒

性，并且可以在相同系列的系統中進行移植，大大節約了開發時間。其主程序可以描述為

void main（void）

{

1）初始化調度器；

2）初始化各個模塊信息；

3）調用任務添加函數將任務加載到任務序列；

while（1）

{

各任務調度函

}

}

圖2 智能電表系統任務示意圖Fig.2 Drawing of smart meter system tasks

3 結語

在嵌入式系統中使用實時操作系統來管理任務的調度是嵌入式應用的一個重要趨勢，但大部分商業實時系統需要很大的系統開銷，對51單片機來說很難實現。本文在時間觸發系統的基礎上，增加了搶占式內核的特性，提高了對搶占任務處理的實時性，并將其成功應用在智能電表中，證明了可行性，且對系統的維護和移植工作提供了方便。

[1] Michael J Pont.時間觸發嵌入式系統設計模式[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2] 鄭宗漢.實時系統軟件基礎[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3] 陳明計，周立功.嵌入式實時操作系統SmallRTOS 51原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[4] 朱鳳新，姚竹亭.基于AVR的時間觸發嵌入式系統[J].工業控制計算機，2006，19（7）：56-57.

[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）：17-19.

[6] 徐哲.論RTX51單片機實時操作系統[J].齊齊哈爾工程學院學報，2012，6（3）：22-24.