嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ面向數控系統的改進
1 μC/OS-Ⅱ對任務的分類
μC/OS-Ⅱ中每個任務有5種狀態:休眠(DORMANT)、就緒(READY)、運行(RUNNING)、等待(WAITING)、中斷(ISR)。休眠狀態的任務駐留在存儲器中,還未被內核使用;就緒狀態的任務準備執行,優先級低于當前執行的任務,沒有得到CPU控制權;任務得到CPU控制權后就處于運行狀態;等待事件發生的任務處于等待狀態,事件可以是I/O操作完成、共享資源可以利用、時鐘周期到等;任務執行過程被中斷服務例程中斷,任務就處于中斷狀態。
2 μC/OS-Ⅱ面向數控系統的改進
2.1 數控系統任務的特點
在數控系統中,任務可分為兩種:周期運行的任務和信號觸發運行的任務,這里所說的信號即包括硬件信號,也包括軟件信號。周期運行的任務有定時信號采樣、定時I/O口掃描、定時通信等。信號觸發運行的任務有中斷信號(硬件信號)觸發的中斷服務任務,命令消息信號(軟件信號)觸發的命令解釋任務等。另外,數控系統中,有些任務還具有運行時間短,運行頻率高,要求實時性高的特點,如信號采樣、數控機床中的插補控制等。
2.2 改進后的任務劃分
在改進后的嵌入式操作系統中任務分為兩類:普通任務和搶占式任務。普通任務指通過操作系統調度器調度運行的任務,調度方法如圖1所示;搶占式任務指那些不通過調度器調度運行,而是在中斷處理中直接運行的任務。下面詳細說明這兩種任務。
2.2.1 普通任務
根據數控系統任務多為周期任務和信號觸發任務這一特點,將普通任務分為兩種:定時運行的周期任務(簡稱周期任務)和信號觸發運行的隨機任務(簡稱隨機任務)。相應的,任務狀態被劃分為6種:運行態、就緒態、等待態、停止態、掛起態和中斷態。圖1為改進后的任務狀態切換圖。
在這六種狀態中,運行態、就緒態和中斷態對應μC/OS-Ⅱ的READY,RUNNING和ISR;掛起態是任務在執行完成前,因等待某事件或資源而被迫停止運行,等待事件或資源到來的狀態;等待態是周期任務完成一次運行,等待運行周期到再次運行時的狀態;停止態是隨機任務等待其觸發信號的狀態。這里去掉了休眠態,即沒有任務的刪除,所有的任務一旦建立,在系統運行期間一直存在。這樣的處理是因為在數控系統應用中,所有建立的任務一定是有用的,即在系統運行期間一定會被執行,無用的代碼和任務不會被添加。在μC/OS-Ⅱ中,設定每個任務都是一個無限的循環,即任務函數永不返回,這樣做是不合適的。該操作系統允許任務函數返回,返回后調用函數OSTaskEndDeal(),該函數根據任務的類別,把周期任務放入等待隊列,把隨機任務放入停止隊列。
2.2.2 搶占式任務
搶占式任務為執行時間短且執行頻率高于OS系統時鐘頻率(如信號采樣),或實時要求高(如數控機床中的插補控制)的任務。調度任務時間(主要是任務切換所花費的時間)往往比這類任務運行一次的時間還多,這顯然是不合理的,搶占式任務正是為解決這種不合理而設計的。搶占式任務不通過OS調度器調度運行,也不采用TCB(任務控制塊)標識它們,而是在它們的中斷觸發信號到達時,在中斷中_直接處理,這樣做節省了調度、任務切換的時間。但是,由于搶占式任務沒有TCB,也就沒有相應的任務堆棧,所以搶占式任務在使用資源上要特別注意:一定要使用獨立的資源。這樣既可以使搶占式任務正常運行,又可以避免搶占式任務對被中斷程序的環境造成破壞。具體辦法如下:
(1)專用寄存器組。若處理程序中使用了寄存器,則為其分配專用的寄存器組,這樣也省去了保存/恢復寄存器的時間消耗。
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