一種適用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的高效輕量級(jí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)※＊

樓亮亮，周苗，鮑星合

（1.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 無線傳感網(wǎng)與通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201800；2.上海大學(xué)）

引 言

Protothread是完全基于事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，只在語言層面上做了相應(yīng)的“封裝”。因此，Protothreads具有一定的局限性[2]。Protothread不支持優(yōu)先級(jí)搶占，阻塞的I/O只允許在主線程函數(shù)中調(diào)用等。針對(duì)上述的幾個(gè)問題，本文提出的操作系統(tǒng)是在Protothread基礎(chǔ)上的改進(jìn)，具有低功耗、易移植、支持多任務(wù)切換、時(shí)間片調(diào)度、搶占式調(diào)度及事件同步等特點(diǎn)。由于本系統(tǒng)使用了Protothread的核心思想，這也決定了本系統(tǒng)具有一定的局限，在每個(gè)任務(wù)中避免與switch語句合用[5]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由調(diào)度內(nèi)核、中斷管理系統(tǒng)及軟中斷系統(tǒng)組成，具體框架如圖1所示。

1.1 任務(wù)控制塊及任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都定義與該任務(wù)相關(guān)的任務(wù)控制塊（TCB）。將所有任務(wù)控制塊組裝成一個(gè)隊(duì)列，則每個(gè)任務(wù)控制塊都對(duì)應(yīng)于任務(wù)控制塊隊(duì)列中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)任務(wù)控制塊中的數(shù)據(jù)只能由中斷程序或者調(diào)度內(nèi)核來修改。任務(wù)控制塊中包含該任務(wù)的入口地址、支持時(shí)間片調(diào)度的服務(wù)延時(shí)、信號(hào)量及當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)。為了節(jié)省內(nèi)存，其中信號(hào)量和當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)采用位定義。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示 ：

圖1 系統(tǒng)的架構(gòu)

本系統(tǒng)支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)于其任務(wù)的控制塊在任務(wù)控制塊隊(duì)列中的位置，任務(wù)控制塊在該隊(duì)列中的位置越靠前，該任務(wù)就越早被調(diào)用，優(yōu)先級(jí)也就越高。

1.2 任務(wù)狀態(tài)與任務(wù)創(chuàng)建

本系統(tǒng)的任務(wù)狀態(tài)劃分為3種：空閑、就緒及運(yùn)行。在任何時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)必定是這3種狀態(tài)中的一個(gè)。本文涉及的系統(tǒng)與一般嵌入式操作系統(tǒng)（如μC/OS、FreeRTOS等）設(shè)計(jì)方式不同，本系統(tǒng)中的任何任務(wù)都不是無限循環(huán)，且都有返回值，任務(wù)在阻塞的時(shí)候會(huì)返回相應(yīng)的狀態(tài)給調(diào)度內(nèi)核，任務(wù)的無限循環(huán)只能由調(diào)度內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)。任務(wù)的返回值為一個(gè)8位有符號(hào)數(shù)，該值的正數(shù)部分0～127留給任務(wù)申請(qǐng)延時(shí)服務(wù)的節(jié)拍數(shù)，而-128～-1則作為信號(hào)量、任務(wù)執(zhí)行結(jié)束等其他相應(yīng)操作的返回值。任務(wù)把該值返回到內(nèi)核后，內(nèi)核根據(jù)該值的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)操作。

OS＿TASK＿END＿RET是用來指示當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)執(zhí)行完所有操作的返回值，內(nèi)核得到該返回值后會(huì)重新運(yùn)行該任務(wù)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的無限循環(huán)；OS＿TASK＿SEM＿RET用來指示當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)有信號(hào)量發(fā)出，內(nèi)核得到該返回值后，根據(jù)該值把該任務(wù)TCB中的變量sem設(shè)置成指定的數(shù)據(jù)值，且把該任務(wù)置為就緒態(tài)（如果有其他任務(wù)向該任務(wù)發(fā)出信號(hào)量，則執(zhí)行該任務(wù)）；OS＿TASK＿TIME＿RET用來指示當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)申請(qǐng)延時(shí)運(yùn)行服務(wù)的返回節(jié)拍數(shù)（該值為正數(shù)），內(nèi)核得到該返回值后，將其賦予該任務(wù)TCB中的變量timeout。如果每個(gè)任務(wù)TCB中的變量timeout≥0，則該值在Tick中斷中實(shí)現(xiàn)減1操作，一旦該值減至為0，內(nèi)核就會(huì)重新運(yùn)行該TCB對(duì)應(yīng)的任務(wù)。

1.3 內(nèi)核調(diào)度算法

在系統(tǒng)開始調(diào)度的時(shí)候，調(diào)度內(nèi)核首先檢查pid是否超出了系統(tǒng)所定義的任務(wù)總數(shù)。如果超過任務(wù)總數(shù)，說明系統(tǒng)已經(jīng)執(zhí)行完所有用戶指定的任務(wù)，則調(diào)度內(nèi)核停止調(diào)度且執(zhí)行空閑任務(wù)，進(jìn)入低功耗模式。空閑任務(wù)的退出，只有pid數(shù)值在事件中斷或Tick中斷中被改變才會(huì)實(shí)現(xiàn)，一旦退出空閑任務(wù)，系統(tǒng)則重新開始調(diào)度。

如果pid小于系統(tǒng)所定義的任務(wù)總數(shù)，則系統(tǒng)開始從TCB隊(duì)列中獲取每個(gè)TCB中變量status的數(shù)值，該變量用于記錄任務(wù)狀態(tài)。如果任務(wù)狀態(tài)是就緒態(tài)，則加載任務(wù)TCB中的入口函數(shù)地址到內(nèi)核中執(zhí)行。在任務(wù)執(zhí)行的過程中，一旦任務(wù)被阻塞或執(zhí)行結(jié)束，任務(wù)就會(huì)返回相應(yīng)的數(shù)值到調(diào)度內(nèi)核中，調(diào)度內(nèi)根據(jù)該返回值，開展相應(yīng)工作。

具體調(diào)度算法流程如圖2所示。

圖2 調(diào)度算法流程圖

1.4 任務(wù)切換

為了支持一級(jí)任務(wù)優(yōu)先的搶占式調(diào)度功能，本系統(tǒng)采用了軟中斷模式，利用中斷來自動(dòng)壓棧與出棧，把高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)安排在軟中斷服務(wù)程序中運(yùn)行。由于軟件中斷優(yōu)先級(jí)比較低，系統(tǒng)運(yùn)行基本不受影響。例如在Tick中斷中，有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒，如果直接在Tick中斷中運(yùn)行，由于任務(wù)運(yùn)行帶來時(shí)間的不確定性，會(huì)嚴(yán)重影響Tick的定時(shí)精度。而采用軟中斷的模式，由于中斷優(yōu)先級(jí)比較低，在其服務(wù)程序中運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)時(shí)，其他中斷（如Tick中斷）不會(huì)受到影響。

這將帶來兩個(gè)方面的好處：①如果高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在中斷服務(wù)中直接執(zhí)行，將會(huì)影響Tick定時(shí)器的定時(shí)精度或者是其他中斷的響應(yīng)時(shí)間。②利用軟中斷自動(dòng)壓棧出棧功能，可以減少上下文切換，降低RAM的需要，從而提高了效率，降低了系統(tǒng)的整體功耗。

1.5 時(shí)間管理

本系統(tǒng)和其他內(nèi)核一樣，需要時(shí)鐘節(jié)拍來實(shí)現(xiàn)時(shí)間片調(diào)度和延時(shí)服務(wù)。在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述服務(wù)的函數(shù)為OS＿TIME＿DLY（）。調(diào)用該函數(shù)之后，該任務(wù)會(huì)返回延時(shí)的節(jié)拍數(shù)到調(diào)度內(nèi)核中，內(nèi)核會(huì)把返回的節(jié)拍數(shù)寫入該任務(wù)TCB中的變量timeout，內(nèi)核實(shí)現(xiàn)一次調(diào)度，執(zhí)行下一個(gè)就緒態(tài)任務(wù)。具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

＃define OS＿TIME＿DLY（ticks）do｛＿lc＝＿＿LINE＿＿；return ticks；｝while（0）；case＿＿LINE＿＿：

為了實(shí)現(xiàn)時(shí)間片調(diào)度，需要在Tick中斷中調(diào)用OS＿TIME＿UPDATE（），來更新每個(gè)任務(wù)TCB中變量timeout的數(shù)據(jù)值。如果該變量數(shù)據(jù)≥0，則在每次中斷中進(jìn)行減1操作，否則不做任何處理。當(dāng)任務(wù)TCB中變量timeout減至0，則把對(duì)應(yīng)的任務(wù)置為就緒態(tài)，內(nèi)核在調(diào)度的時(shí)候就會(huì)執(zhí)行就緒態(tài)的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間片調(diào)度和延時(shí)服務(wù)功能。該函數(shù)的具體流程如圖3（a）所示。

1.6 事件同步

本系統(tǒng)中事件同步采用了信號(hào)量設(shè)計(jì)方式，涉及到該項(xiàng)服務(wù)的有兩個(gè)函數(shù)：等待信號(hào)量與發(fā)送信號(hào)量。若一個(gè)任務(wù)等待一個(gè)信號(hào)量，則調(diào)用OS＿SEM＿PEND（）阻塞該任務(wù)并返回OS＿TASK＿SEM＿RET到調(diào)度內(nèi)核，調(diào)度內(nèi)核根據(jù)該返回值把相應(yīng)狀態(tài)寫入該任務(wù)TCB中的變量sem，并把該任務(wù)置為就緒狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

＃define OS＿SEM＿PEND（）do｛＿lc＝＿＿LINE＿＿；return OS＿TASK＿SEM＿RET ；｝while（0）；case＿＿LINE＿＿：

發(fā)送一個(gè)信號(hào)量函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)等待信號(hào)量比較復(fù)雜，需要涉及到任務(wù)的切換。當(dāng)某個(gè)任務(wù)或者中斷中調(diào)用OS＿SEM＿POST（）時(shí)，該函數(shù)在執(zhí)行結(jié)束后返回要發(fā)送信號(hào)量的任務(wù)ID號(hào)到內(nèi)核中，調(diào)度內(nèi)核會(huì)判斷該任務(wù)TCB中R變量sem是否在等待該信號(hào)量。如果是，則執(zhí)行任務(wù)切換，即開啟軟中斷。涉及到的函數(shù)如下：

INT8S OS＿SEM＿POST（INT8S （＊ptask）（void））

其中：ptask為要發(fā)送信號(hào)量到的任務(wù)名。基本流程如圖3（b）所示。

2 系統(tǒng)分析

2.1 ROM與RAM資源評(píng)估

本文涉及的系統(tǒng)是在IAR FOR MSP430 V5.30.1執(zhí)行，采用的編譯模式為：Release、優(yōu)化等級(jí)為L(zhǎng)evel high balanced。表1略——編者注。

綜上所述，本系統(tǒng)所帶來的RAM額外消耗可由以下式計(jì)算得出：

RAMoverhead＝任務(wù)數(shù)×5字節(jié)＋1字節(jié)

2.2 系統(tǒng)正確性評(píng)估

圖3 時(shí)間片調(diào)度算法流程與信號(hào)量發(fā)送流程

本系統(tǒng)在MSP430F149平臺(tái)上驗(yàn)證其正確性及可靠性。在實(shí)驗(yàn)中采用定時(shí)器A作為系統(tǒng)的Tick時(shí)鐘，為了測(cè)量每個(gè)任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間及切換時(shí)間，本系統(tǒng)中Tick定時(shí)周期為16μs。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合而定，系統(tǒng)Tick周期越短則系統(tǒng)負(fù)荷越大。由于MSP430系統(tǒng)微處理器沒有相關(guān)軟中斷指令，故采用定時(shí)器B作為軟中斷來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換，其優(yōu)先級(jí)相對(duì)定時(shí)器A與其他中斷來說比較低。

為了驗(yàn)證其正確性，本文在該系統(tǒng)平臺(tái)上建立了兩個(gè)任務(wù)。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增加一個(gè)空閑任務(wù)，兩個(gè)任務(wù)都不需要執(zhí)行的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入空閑模式（即休眠模式），降低了功耗。

任務(wù)1優(yōu)先級(jí)最高，創(chuàng)建的時(shí)候設(shè)置其為就緒狀態(tài)，所以在任務(wù)調(diào)度開始的時(shí)候就開始運(yùn)行任務(wù)1，并關(guān)閉延時(shí)調(diào)度服務(wù)。其功能是等待任務(wù)2發(fā)出的信號(hào)量，在等待信號(hào)量的時(shí)候掛起自身任務(wù)。為了便于測(cè)試，在任務(wù)1中通過函數(shù)SystemClockSave（）記錄某些關(guān)鍵步驟的系統(tǒng)時(shí)間，用于任務(wù)運(yùn)行時(shí)間的測(cè)量。具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

OS＿CREATE＿TASK（Task1，0，OS＿TASK＿STATUS＿RDY，-1）；

任務(wù)2功能是周期性發(fā)出信號(hào)量給任務(wù)1，任務(wù)2每隔10個(gè)節(jié)拍后發(fā)送信號(hào)量給任務(wù)1，隨后掛起自身任務(wù)。同時(shí)，在任務(wù)2中通過函數(shù)SystemClockSave（）記錄某些關(guān)鍵步驟的系統(tǒng)時(shí)間，用于任務(wù)運(yùn)行時(shí)間的測(cè)量。具體實(shí)現(xiàn)如下所示：

OS＿CREATE＿TASK（Task2，1，OS＿TASK＿STATUS＿RDY，10）；任務(wù)1與任務(wù)2的具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的狀況如圖5所示。

圖4 任務(wù)1與任務(wù)2的具體實(shí)現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖

任務(wù)2在等待延時(shí)服務(wù)的時(shí)候釋放CPU控制權(quán)，返回要延時(shí)的節(jié)拍數(shù)到調(diào)度內(nèi)核中。調(diào)度內(nèi)核把該任務(wù)返回的節(jié)拍數(shù)寫入任務(wù)2的TCB中的變量timeout，在Tick中斷服務(wù)程序中對(duì)變量timeout實(shí)行減1操作。此時(shí)系統(tǒng)沒有任務(wù)運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入空閑模式，降低系統(tǒng)的功耗。一旦任務(wù)2 TCB的timeout值減至為零，則內(nèi)核重新調(diào)用任務(wù)2。緊接著任務(wù)2發(fā)送信號(hào)量到任務(wù)1，因?yàn)槿蝿?wù)1優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)2，任務(wù)2又被掛起，在調(diào)用OS＿SEM＿POST（）之后實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換，任務(wù)1得到優(yōu)先運(yùn)行。只有在任務(wù)1釋放CPU控制權(quán)的時(shí)候，任務(wù)2才得以運(yùn)行。接下來任務(wù)1與任務(wù)2重復(fù)交替執(zhí)行，系統(tǒng)的正確性得到驗(yàn)證。

3 研究的創(chuàng)新點(diǎn)

本文提出了一種基于Protothread思想的嵌入式系統(tǒng)，提供了一種類似于操作系統(tǒng)的編程方式，支持搶占式調(diào)度，具有代碼量小、容易移植及低功耗管理等特性，使得程序的設(shè)計(jì)、維護(hù)和調(diào)試更加便捷。每個(gè)任務(wù)利用編譯器＿＿LINE＿＿來記錄阻塞點(diǎn)的行號(hào)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的阻塞，并返回相應(yīng)狀態(tài)到調(diào)度內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)任務(wù)狀態(tài)的切換或阻塞點(diǎn)的重運(yùn)行。下面舉一個(gè)例子說明，物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集節(jié)點(diǎn)都集成無線收發(fā)模塊，與后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為了保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕话愣疾捎谩鞍l(fā)送-應(yīng)答”機(jī)制。在此系統(tǒng)中，如果采用狀態(tài)機(jī)的模型，具體代碼流程如圖6所示。

如果采用本文提供的系統(tǒng)編程模式，上面程序可以修改成如圖7所示。

結(jié) 語

本文提出的基于Protothread思想的多任務(wù)搶占式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為事件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)提供了一種有效的處理方法，使得程序的設(shè)計(jì)、維護(hù)和調(diào)試更加便捷，對(duì)于嵌入式軟件開發(fā)有較大的參考價(jià)值。

圖6 基于狀態(tài)機(jī)模型下無線收發(fā)架構(gòu)

圖7 基于本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)下的無線收發(fā)架構(gòu)

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]陳浩杰.面向微小衛(wèi)星的Smart-OSEK OS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[2]董瑋.面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)的嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[3]Dunkels A，Schmidt O，Voigt T，et al.Protothreads：simplifying event-driven programming of memory-constrained embedded systems[C]//Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems，Acm，2006：29-42.

[4]Dunkels A，Schmidt O.Protothreads-lightweight stackless threads in c[EB/OL].[2014-05].http：//citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download？doi＝10.1.1.60.2455＆rep＝rep1＆type＝pdf.

[5]閆石，馬潮.時(shí)間觸發(fā)模式下的Protothreads設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（1）：15-17.

[6]羅光平.使用Protothread簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)中的順序流控制[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（11）：19-21.