嵌入式系統通用的應用軟件結構研究

嵌入式系統通用的應用軟件結構研究

摘要：嵌入式實時多任務操作系統在軟件編程上有一定的相似性。這種相似的特性，使得我們可以將個別系統的編程經驗推廣到更多的系統上。本文就μC/OS-II內核的任務管理和內存管理進行基本的介紹，并介紹一個通用的應用軟件結構。然后，與之相對應，提供兩個不同操作系統下的應用實例。

    關鍵詞：嵌入式系統 多任務 編程

引言

嵌入式系統的面向應用特性，使得大多數程序員沉陷于不同的應用中。在進入新的一輪開發后，往往只有一些簡單的經驗可供參考。為了加快應用的開發進度，有必要研究一種統一的應用軟件結構，使開發人員能夠通過簡單模式套用，簡化大量系統研究方面的工作，以加快嵌入式開發人員對新系統的理解和使用。

操作系統μC/OS-II和ECOS（Embedded Configurable OS）是我在研發過程中使用過的兩個系統。這兩個源碼公開的系統是我們研究的基礎。開發平臺依次是PC機和EP7212開發板。

1 μC/OS-II內核

對于一個嵌入式系統內核，我們最關心的是：任務調度、內存管理及時間特性等。這里，只介紹與多任務編程聯系最多的任務調度和內存管理。

1.1 任務調度

任務的狀態有休眠、就緒及運行幾種。任務調度就是遵循一定的原則，使多個任務共同使用同一處理機的過程。這一過程主要是通過對任務控制塊（TCB）的管理來實現的。

當一個任務建立時，μC/OS-II系統為其所對應的OS_TCB賦值；當任務的CPU使用權被剝奪時，系統用OS_TCB來保存該任務的狀態；當任務重新得到CPU使用權時，系統就可通過任務控制埠來使任務從被中斷處繼續執行下去。

在μC/OS-II中，TCB內包含如下基本項：

*OSTCBStkPtr是一個指向當前任務棧頂的指針，通過允許每個任務擁有自己的棧來減小系統的內存開銷；

*OSTCBNextOSTCBPrev用于任務控制塊的雙重鏈接；

*OSTCBDly用于任務延時或超時限制；

*OSTCBStat任務的狀態字，0表示就緒態；

*OSTCBPrio任務的優先級，值越小，優先級越高。

在μC/OS-II中，還有兩個與任務調度相關的結構就緒表和估級判定表。就緒表中有兩個變量用來存放每個任務的就緒標志。通過分組與優先級表中的項實現一一對應，進而確定進入就緒態的優先級最高的任務。

任務調度算法原型：

*關中斷；

*取優先級最高的就緒任務；

*若不是當前任務，則進行任務切換；

*開中斷。

任務切換中兩步完成：將被掛起的任務的微處理器寄存器堆入棧，然后，將較高優先級的任務的寄存器值從棧中恢復到寄存器中。

1.2 內存管理

在嵌入式系統中，為了更高效地使用內存，除了常規的malloc()和free（）外，通常提供不同的內存組織形式，以滿足特殊應用的需求。ΜC/OS-II中，操作系統把連續的大塊內存按分區來管理，每個分區中包含整數大小相同的內存塊。利用這種機制，μC/OS-II對malloc()和free（）進行改造，使得它們可分配和釋放固定大小的內存塊，并且使這兩個函數的執行時間也固定下來。

為了使用戶能得到需大小的內存塊，在一個系統中可以多個內存分區，應用程序可以從不同的內存分區中取得不同大小的內存塊。唯一要注意的是，不同的內存塊在釋放時必須重新放回它以前所屬的內存分區。采用上述的內存管理算法，解決了內存碎片的問題。

為了跟蹤每一個內存分區，μC/OS-II使用了內存控制塊的數據結構，主要有：

OSMemAddr—指向內存分區起始地址的指針；

OSMemFreeList—指向下一個空閑控制塊或下一個空閑內存塊的指針；

OSMemBlkSize—內存分區中內存塊的大小，是用戶建立該內存分區時指定的；

OSMemB1ks—內存分區中總的內存塊數量，是用戶建立該內存分區時指定的；

OSMemNFree—內存分區中當前可以得到的空閑內存塊數量。

在μC/OS-II中，也可以使用常規的malloc（）和free（）內存管理函數來增強其可移植性，但在使用更嚴格的場合，應使用系統提供的特殊的內存管理。

2 應用軟件

2.1 應用軟件原型

對于8051單片機系統的編程，最基本的架構是一個無限循環，應用的所有事情基本上都是在這個超循環中實現的。在這種系統中，系統上只有一個任務在運行，應用就是整個系統，而整個系統就是一個應用。

與這種簡單系統相似，超循環結構在復雜的實時操作系統μC/OS-II中也是一個基本結構；但不再是系統級的，而只是任務級的。圖1為超循環的結構示意。
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    在一個應用中，至少有一個這樣的任務，它包含這樣一個超循環，以使其擁有與應用相同的生存期，并由它完成應用的全部或部分功能。圖2為應用軟件結構框圖。

2.2 基本應用軟件結構

應用軟件結構存在不同性，是由應用本身決定的；但作為基本結構，則是相似甚至是相同的。因為對于不同的系統，所調用的函數是不同的。下面給出基本應用軟件結構的文字描述。

①聲明系統的包含文件。

②聲明全局數據：任務數、任務的棧空間等。

③主函數：

*系統初始化；

*創建主任務；

*啟動多任務執行。

④主任務：

*主任務初始化；

*若必要，可創立多個子任務；

*進入超循環或退出主任務。

⑤子任務：

*子任務初始化；

*進入超循環或退出子任務。

2.3 應用軟件實例

（1）樣例1

為了簡要說明軟件結構思想，我們在PC平臺、Windows 98系統下，采用了Borland公司的C++命令行編譯環境，說明我們的第一應用。

其中文件的主要功能，就是顯示一個HelloμC/OS-II embedded world！字符串。由于其是在μC/OS-II下實現的，與原理有相通性，這里就不再更多介紹了。

（2）樣例2

使用Cirrus Logic公司的開發板EP7212，運行的操作系統是RedHat公司的ECOS。本應用的主要功能是，把從串口2接收到的數據再發送回去，并且在初始化時加發一個“Hello eCos World！”字符串。

ECOS是一個比μC/OS-II更復雜的系統，其支持的軟件結構更豐富，但其對我們所抽象的軟件結構依然支持得很好；只是在我們應用的主函數中，已更好地將系統的初始化部分隱藏了起來。

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