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在嵌入式控制系統的設計中，如何對被控制的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行有效協(xié)調，使其動(dòng)作順序合理、響應速度快捷，往往是設計者所考慮的一個(gè)很重要的方面，也是衡量檢驗一個(gè)系統的綜合性能的重要指標。為了在多個(gè)任務(wù)的協(xié)調控制中滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，設計者往往會(huì )考慮在系統中嵌入目前流行的某種實(shí)時(shí)操作系統�，F在也有一些通過(guò)驗證的比較優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統可供選擇，有的源代碼甚至是免費提供的，網(wǎng)上也有大量的移植成功的源代碼范例�；趯�(shí)時(shí)操作系統編程可以大大縮短開(kāi)發(fā)的周期，實(shí)時(shí)性也有足夠的保證�；趯�(shí)時(shí)操作系統編程的代價(jià)之一是，增加了程序代碼的長(cháng)度；代價(jià)之二是，需要較多的RAM空間，在不擴展片外存儲器的情況下，中低檔單片機是難以勝任的。另一方面，大部分中低檔應用系統通過(guò)合理的設計，采用基于裸機編程（沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統）的方法，也可以保證一定的實(shí)時(shí)性，從而達到實(shí)時(shí)控制的要求，這是本文所要介紹的內容。 1系統設計原理 1.1 通過(guò)定時(shí)中斷間隔的設計來(lái)保證實(shí)時(shí)性 為了完成控制系統中多任務(wù)的實(shí)時(shí)響應要求，可以利用定時(shí)中斷作為系統的時(shí)鐘。每個(gè)中斷的間隔作為時(shí)鐘的最小基本單位，這個(gè)值要小于或等于被控制的各個(gè)任務(wù)中對時(shí)間要求最苛刻的任務(wù)的最大允許響應時(shí)間。定時(shí)間隔越短，響應越快捷，但系統CPU的負擔也越重（因為CPU休眠的時(shí)間也越來(lái)越少）。這是一對相互矛盾的事物，需要設計者謹慎的協(xié)調才能達到最完美的效果。例如在配料控制系統中，如果加料速度為20 kg/s，要求配料誤差為1 kg，則系統的實(shí)時(shí)性必須保證在50 ms之內。為了留有余地，可將定時(shí)中斷間隔設置為20 ms。 1.2 通過(guò)對所有任務(wù)的及時(shí)“照看”來(lái)管理多任務(wù) 可以根據各個(gè)任務(wù)對實(shí)時(shí)性要求的不同程度,將任務(wù)分為不同的類(lèi)型。對實(shí)時(shí)性要求越是苛刻的任務(wù)，就需要得到系統越頻繁的“照看”。對于實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)，系統對它的“照看”時(shí)間間隔可以長(cháng)一些。例如，有兩個(gè)任務(wù)A和B，任務(wù)A每秒必須“照看”10次，任務(wù)B每秒必須“照看”2次，則控制流程如圖1所示。從圖1中可以看出，任務(wù)A每隔0.1 s“照看”1次，任務(wù)B每隔0.5 s“照看”1次。對實(shí)時(shí)性要求基本相同的若干任務(wù)，可依次“照看”,其程序流程如圖2所示。 圖1處理實(shí)時(shí)性要求不同的任務(wù) 圖2處理實(shí)時(shí)性要求基本相同的任務(wù) 將所有任務(wù)都放在定時(shí)監控循環(huán)中來(lái)“照看”，就可以使各個(gè)任務(wù)得到實(shí)時(shí)“照看”，問(wèn)題的關(guān)鍵是系統如何“照看”各個(gè)任務(wù)。如果某任務(wù)運行一次所需要的時(shí)間遠小于定時(shí)間隔，則該任務(wù)可安排在系統“照看”它時(shí)完整地執行一次。在這種情況下，“照看”某任務(wù)和“運行”某任務(wù)是一回事。如果某任務(wù)的運行時(shí)間遠大于定時(shí)間隔，例如在配料系統中，一次配料任務(wù)需要數十秒鐘，而定時(shí)間隔只有20 ms，因此，在“照看”該任務(wù)時(shí)不可能等待它完成后再“照看”其他任務(wù)，否則系統就會(huì )崩潰。為此，系統對任何任務(wù)的“照看”時(shí)間必須遠小于定時(shí)間隔，只有這樣才能保證系統在一個(gè)定時(shí)間隔中完成對所有任務(wù)的“照看”。由此可以看出，在本方法中，任何任務(wù)都不能較長(cháng)時(shí)間單獨占有CPU，而是在不斷地得到系統的“照看”，通過(guò)“照看”來(lái)維持各個(gè)任務(wù)的正常運行。 1.3將任務(wù)分解為若干狀態(tài) 對于執行時(shí)間大于定時(shí)間隔的任務(wù)，其執行過(guò)程都是由若干不同狀態(tài)構成的。在不同狀態(tài)下，需要系統進(jìn)行不同方式的“照看”，為此，為這個(gè)任務(wù)設置一個(gè)狀態(tài)變量，以指示該任務(wù)當前的狀態(tài)。當系統“照看”該任務(wù)時(shí)，首先讀取該任務(wù)的狀態(tài)變量，然后根據狀態(tài)變量的值來(lái)執行對應的“照看”操作。 為了使系統能夠及時(shí)從某個(gè)任務(wù)脫身，以便及時(shí)“照看”另外的任務(wù)，則任何“照看”操作都必須非常簡(jiǎn)短（遠小于定時(shí)間隔）。如果某個(gè)任務(wù)的某種狀態(tài)需要系統較長(cháng)時(shí)間的“照看”（如進(jìn)行一段比較復雜的數據處理），則必須將這個(gè)狀態(tài)再分解為若干狀態(tài)，直到每個(gè)狀態(tài)需要的處理時(shí)間均比定時(shí)中斷間隔短得多。也可以設置若干標志，將這些耗時(shí)的處理過(guò)程放在后臺處理�！� ① 本方法沒(méi)有優(yōu)先級的概念，所有任務(wù)都一視同仁得到“照看”，不存在“任務(wù)調度”問(wèn)題，從根本上簡(jiǎn)化了系統軟件設計，也大大降低了對硬件資源的要求。 ② 本方法與“時(shí)間片輪回”方法類(lèi)似，但有兩點(diǎn)不同：第一是每個(gè)任務(wù)得到的“時(shí)間片”是不固定的，與該任務(wù)的當前狀態(tài)有關(guān)，當該任務(wù)處于停止狀態(tài)時(shí)，其“照看”操作所需要的時(shí)間就比較短，占用的“時(shí)間片”也就比較短;第二是以“照看”操作來(lái)劃分“時(shí)間片”，每個(gè)任務(wù)的“照看”都是一個(gè)完整的過(guò)程，不存在被打斷的情況，故不需要為每個(gè)任務(wù)配置“堆�！�。各個(gè)任務(wù)之間的通信和同步可以通過(guò)變量和標志來(lái)完成，實(shí)現起來(lái)也比較簡(jiǎn)單。 ③ 由于本方法對處于“停止狀態(tài)”的任務(wù)也要不停地“照看”，顯然時(shí)間利用率不高，當系統任務(wù)數量較多或實(shí)時(shí)性要求很高時(shí)就難于勝任，故本方法只能在任務(wù)數量較少的中低檔系統中采用；任務(wù)數量較多或實(shí)時(shí)性要求很高的系統，仍然應該采用基于實(shí)時(shí)操作系統的編程方法。 2 設計實(shí)例 現結合一個(gè)配料系統的設計實(shí)例來(lái)說(shuō)明該類(lèi)系統的設計方法。在配料系統中，配方中的每種成分都由一個(gè)獨立的料斗來(lái)配置，并由一個(gè)獨立的電子秤來(lái)計量。進(jìn)行配料操作時(shí)，為了提高工作效率，各個(gè)料斗同時(shí)進(jìn)行加料，達到配方中各自規定的重量后則停止加料。當所有料斗都完成加料過(guò)程后，便同時(shí)（或按預定順序）出料，進(jìn)行混合處理。各個(gè)料斗均出料結束后，間隔若干秒鐘自動(dòng)開(kāi)始下一輪配料過(guò)程。 在該系統中有如下任務(wù)需要運行： ◆ 鍵盤(pán)管理任務(wù)。采集操作者的按鍵動(dòng)作并解釋執行，用來(lái)設置配方數據和配料次數，控制系統運行。 ◆ 顯示任務(wù)。顯示系統當前狀態(tài)和相關(guān)數據。 ◆ 數據采集任務(wù)。讀取各個(gè)電子秤當前的數據。 ◆ 配料控制任務(wù)。根據配方要求和電子秤當前的數據來(lái)決定料斗的工作狀態(tài)。 ◆ 控制信號輸出任務(wù)。根據料斗狀態(tài)，輸出相應的各路控制信號。 ◆ 時(shí)鐘任務(wù)。為系統提供時(shí)間基準，使各個(gè)任務(wù)可以按規定節奏來(lái)運行。 ◆ 睡眠任務(wù)。讓系統在空閑時(shí)間里進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以提高系統的抗干擾能力。 系統的軟件結構如圖3所示。左邊是主程序，只安排了睡眠任務(wù)；右邊是定時(shí)中斷子程序，安排了其他所有任務(wù)。 圖3系統軟件結構示意圖 除配料控制任務(wù)外，其他任務(wù)運行一次的時(shí)間均遠小于定時(shí)間隔，在每次定時(shí)中斷中均可以完整地運行一次，故采用普通的編程方法將其運行過(guò)程寫(xiě)出來(lái)即可。配料控制任務(wù)無(wú)法在一次定時(shí)中斷里完成，只能用不斷“照看”的方法來(lái)完成。如果配料任務(wù)的運行時(shí)間（運行周期）為40 s，定時(shí)中斷間隔時(shí)間為20 ms，則每次配料過(guò)程都是通過(guò)2000次“照看”來(lái)實(shí)現的。設配方有四種成分，則系統有四個(gè)料斗并行工作，“配料控制”任務(wù)的“照看”操作實(shí)際上由“照看料斗1”、“照看料斗2”、“照看料斗3”、“照看料斗4”組成（如圖2所示），即每次定時(shí)中斷都要依次“照看”四個(gè)料斗。四個(gè)料斗的“照看”操作方式基本相同。由于配方數據的差異，四個(gè)料斗的狀態(tài)不一定每時(shí)每刻都同步。如果不考慮加料時(shí)的“落差”現象，就一個(gè)料斗而言，“照看”操作內容設計如表1所列。 配料過(guò)程由鍵盤(pán)操作來(lái)啟動(dòng)（使“允許配料”標志＝1），以后各次配料操作由前一次配料的狀態(tài)5來(lái)啟動(dòng)，直到完成預定的配料次數。 從表1中可以看出，所有的“照看”操作都是由“判斷－分支”結構組成，操作時(shí)間也很短，滿(mǎn)足設計要求。 3 小結 注：當狀態(tài)變量的值為5時(shí)，為了同步和避免重復計算配料次數，只有料斗1執行指定的操作，其他料斗均不進(jìn)行任何操作，直接結束照看。 在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統中，為了保證系統的實(shí)時(shí)性，采用實(shí)時(shí)操作系統是首選設計方案;但在中低檔系統中，為了簡(jiǎn)化設計和降低成本，利用本文介紹的方法，基于裸機編程同樣可以滿(mǎn)足要求。在中低檔系統占有很大比例的產(chǎn)品市場(chǎng)中，本文介紹的編程方法對降低成本和提高產(chǎn)品競爭力顯然是有幫助的。 |
