[摘要]：目前嵌入式系統(tǒng)正在不斷地向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展,在實(shí)時控制系統(tǒng)中采用嵌入式操作系統(tǒng)已成為當(dāng)前嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的一個發(fā)展方向。本文以開發(fā)電能計量電表中應(yīng)用C/OS-II為實(shí)例,介紹了將實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-II移植到目標(biāo)系統(tǒng)中的方法,分析和研究了在單片機(jī)系統(tǒng)中使用嵌入式操作系統(tǒng)的有關(guān)問題?！?/P>
[關(guān)鍵詞]：嵌入式操作系統(tǒng); mC/OS-II; 內(nèi)核; 實(shí)時性; 電能計量電表
1 引言
隨著后PC時代和網(wǎng)絡(luò)以及通信技術(shù)時代的到來,嵌入式操作系統(tǒng)在通信、電子、自動化等領(lǐng)域受已經(jīng)到了越來越多的關(guān)注。因?yàn)橐粋€好的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)能夠提高產(chǎn)品的研制效率,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,所以許多生產(chǎn)廠家正在紛紛考慮采用嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)來開發(fā)自己的產(chǎn)品。
實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多,大體可分為兩種——商用型及免費(fèi)型。商用型的實(shí)時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠、有完善技術(shù)支持及售后服務(wù),但其昂貴價格限制了它在為數(shù)眾多的低端低成本的場合的應(yīng)用。并且對這些場合來講,一個包含網(wǎng)絡(luò)協(xié)議核、文件管理,內(nèi)存管理的操作系統(tǒng)實(shí)在顯得過于龐大了。它們需要的僅僅是一個穩(wěn)定的包含任務(wù)管理及進(jìn)程調(diào)度的實(shí)時內(nèi)核,對一個 8位或16位單片機(jī)的應(yīng)用場合,一個代碼長度不超過10KB,占用系統(tǒng)資源不超過10%象mC/OS-II這樣的實(shí)時內(nèi)核是非常適合的。
2 mC/OS-II 系統(tǒng)簡介
mC/OS-II 是由Labrose先生編寫的開放式內(nèi)核,具有源碼公開,可移植、可固化、可裁剪,穩(wěn)定性及可靠性高的特點(diǎn)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理任務(wù)同步與通信、內(nèi)存管理及中斷服務(wù)等功能,支持64用戶服務(wù)。90%的代碼函數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言書寫,程序可讀性強(qiáng)、移植性好。適合于小型控制系統(tǒng),具有執(zhí)行效率高,占用空間小,實(shí)時性能優(yōu)良,可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn),加之它穩(wěn)定、可靠,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在航空、醫(yī)療器械、工業(yè)控制等領(lǐng)域,被證明是一個成熟穩(wěn)定的實(shí)時內(nèi)核。
3 在AT89C51上運(yùn)行mC/OS-II
要使用mC/OS-II,首先就必須把這個內(nèi)核成功地移植到使用的CPU上去。下面就給出在電能計量電表所用的AT89C51上移植mC/OS-II過程。mC/OS-II移植的軟件部分要完成以下工作。
3.1 與編譯器有關(guān)的代碼
在不同的處理器中有不同的字長,所以必須定義一系列數(shù)據(jù)類型以確保移植的正確性。在C/OS-II中,不使用C的char、int和long等數(shù)據(jù)類型,這些都是和編譯器相關(guān)的,在AT89C51處理器中,各種數(shù)據(jù)類型定義如下:
typedef unsigned char BOOLEAN;
typedef unsigned char INT8U;
typedef signed char INT8S;
typedef unsigned int INT16U;
typedf signed int INT16S;
typedef unsigned long INT32U;
typedef signed long INT32S;
typedef float FP32;
typedef double FP64;
typedef unsigned char OS_STK;
mC/OS-II需要先禁止中斷訪問代碼的臨界區(qū),并且在訪問完畢后重新允許中斷。mC/OS-II定義了兩個宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()來禁止和允許中斷。實(shí)現(xiàn)方法如下:
#define OS_ENTER_CRITICAL() EA = 0
#define OS_EXIT_CRITICAL() EA = 1
#define OS_STK_GROWTH 0
#define OS_TASK_SWO 0SCtxSW()
3.2 4個匯編語言函數(shù)
這部分需要對處理器的寄存器進(jìn)行操作,所以必須用匯編語言來編寫。mC/OS-II的移植要求用戶編寫4個簡單的匯編語言函數(shù)：OSStarHighRdy(),OSCtxSw(),OSIntCtxSw(),OSTickISR()。
OSStarHighRdy()在多任務(wù)系統(tǒng)啟動函數(shù)OSStar()中調(diào)用。主要功能是將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針加載到SP中,并強(qiáng)制中斷返回。這樣就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)就如同從中斷處理返回到運(yùn)行態(tài)一樣,使得整個系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)。
OSCtxSw()在任務(wù)級任務(wù)切換函數(shù)中調(diào)用。任務(wù)級的切換問題是通過發(fā)軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令來完成的。由于AT89C51沒有軟中斷命令或依靠處理器執(zhí)行陷阱指令,所以用OS_TASK_SW()直接調(diào)用OSCtxSw()來完成。
OSIntCtxSw()通過調(diào)用OSIntCtxSw()來從ISR中執(zhí)行切換功能。具體完成任務(wù)是調(diào)整堆棧指針,保存當(dāng)前任務(wù)的SP,載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP,恢復(fù)就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的環(huán)境變量,中斷返回,從而完成中斷級任務(wù)切換。
OSTickISR()是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)。這是一個周期性中斷,為內(nèi)核提供時鐘節(jié)拍,頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重。此外還要編寫6個與操作系統(tǒng)有關(guān)的函數(shù),有關(guān)這些函數(shù)具體功能更詳細(xì)的闡述,請參考文獻(xiàn)[1][2]。做完以上工作后,mC/OS-II就可以運(yùn)行了。
4 在電能計量電度表中應(yīng)用mC/OS-II
4．1 電能計量電度表的功能與任務(wù)分配
電能計量電度表是為了方便供電局進(jìn)行用量管理,同時也為了使用戶合理用電而進(jìn)行“尖、峰、平、谷”不同時段分別計費(fèi)的智能儀器。圖1是電能計量電度表結(jié)構(gòu)原理圖。該系統(tǒng)主要由兩個部分構(gòu)成,一是電能計量芯片AD7755,二是數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示和報警系統(tǒng)。
圖1 電能計量電度表結(jié)構(gòu)原理圖
根據(jù)電能計量電度表的工作原理,結(jié)合mC/OS-II可以把電能計量儀器的軟件結(jié)構(gòu)劃分為下述幾個任務(wù)：
（1）RS-485口命令讀取。串口命令是從上位PC主機(jī)或紅外線抄表儀器發(fā)送到電能計量儀器的數(shù)據(jù)讀取或設(shè)置命令。這些命令必須為串口完全接收,不允許電能計量表在接收命令時發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。實(shí)時要求很高。
（2）1s將保存在RAM中的當(dāng)前用電量存儲到EEPROM。以防止單片機(jī)失電時電量計量丟失,實(shí)時要求高。
（3）100ms完成一次時鐘芯片實(shí)時鐘讀取,以便更新當(dāng)前的年、月、日、時、分秒。每100ms進(jìn)行一次,或接收上位機(jī)廣播校時時鐘芯片,實(shí)時要求很高。
（4）溫度芯片數(shù)值的讀取和存儲每300ms進(jìn)行一次,實(shí)時要求較高。
（5）RS-485或紅外線抄表儀器口數(shù)據(jù)回送,電能計量電表接收到上位機(jī)命令后,完成指定操作,并將處理結(jié)果送回上位機(jī)或紅外線抄表儀器,實(shí)時要求低。
（6）液晶顯示內(nèi)容每3s更新一次,液晶每3s更新顯示數(shù)據(jù)。實(shí)時要求很低。
（7）如果5min內(nèi)沒有按鍵操作,則關(guān)閉液晶顯示以降低功耗。實(shí)時要求很低。
上面將實(shí)現(xiàn)的功能劃分為7個任務(wù),并對這些任務(wù)的實(shí)時要求作了分析。在實(shí)時設(shè)計中,任務(wù)的的實(shí)時要求越高,對應(yīng)的優(yōu)先級就應(yīng)該越高。另外,需要增加一個最高優(yōu)先級任務(wù)來提供準(zhǔn)確的100ms事件流,上述任務(wù)劃分如表1所示。
表1 任務(wù)劃分表
4．2 基于mC/OS-II的中斷處理
在mC/OS-II中,中斷處理也非常重要的,電能計量電表的中斷源及各種中斷用途以及優(yōu)先級如表2所示。
表2 電能計量電表的中斷
雖然mC/OS-II允許使用多個中斷,并允許多層中斷嵌套,但為了減少中斷處理時間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,中斷處理程序或發(fā)出信號燈,通知相應(yīng)的任務(wù)去處理?；蜻M(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)處理,中斷處理的結(jié)構(gòu)非常簡單,處理時間也很短,所以極少會出現(xiàn)多層中斷嵌套的情況。
在完成任務(wù)劃分后,還需要考慮任務(wù)的通信,在初始化mC/OS-II時創(chuàng)建了以下信號燈和消息郵箱用于任務(wù)間通信：
（1）串口命令信號燈SemCmd。該信號燈由串口接收緩沖區(qū)滿中斷處理程序發(fā)出,由任務(wù)2（RS-485或紅外抄表儀器命令讀?。┙邮?。表示上位機(jī)已經(jīng)有命令通過串口發(fā)送過來。
（2）時鐘芯片讀取或校準(zhǔn)消息郵箱Mbox。該消息由任務(wù)1或任務(wù)2發(fā)出,由任務(wù)3（100ms一次系統(tǒng)時間校正或廣播校時時鐘芯片）接收。
（3）電量存儲信號燈Sem1s。該信號燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)4接收。以1s為周期存儲當(dāng)前電量到EEPROM。
（4）溫度數(shù)值的讀取信號燈Sem300ms。該信號燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)5接收。以300ms為周期發(fā)出,通知任務(wù)5存儲溫度。
（5）顯示更新信號燈Sem5s。該信號燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)7（3s一次液晶顯示內(nèi)容更新）接收,以3s為周期發(fā)出,通知任務(wù)7刷新液晶顯示。
（6）液晶自動關(guān)閉信號燈Sem5min。該信號燈由任務(wù)3發(fā)出,由任務(wù)8（5min液晶自動關(guān)閉）接收,以5min為周期發(fā)出,通知任務(wù)8。如果過去5min內(nèi)沒有按鍵,則關(guān)閉液晶顯示。
（7）串口命令緩沖區(qū)滿信號燈SemCmdProc。該信號燈由任務(wù)2（RS-485口命令讀?。┌l(fā)出,由任務(wù)6（RS-485或紅外抄表儀器口數(shù)據(jù)回送）接收。用于向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。
每個任務(wù)都沒有被刪除,其軟件流程如圖2所示：
初始化消息郵箱, 信號燈 
5 結(jié) 語
目前我們開發(fā)的這個基于mC/OS-II內(nèi)核的電能計量電表應(yīng)用系統(tǒng)在系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)速度、軟件設(shè)計的模塊化問題、系統(tǒng)的抗干擾能力等方面都解決得比較好。已經(jīng)在實(shí)際中投入運(yùn)行,獲得了比較好的效果。
