软件层的设计与实现 - UCOS-II实时操作系统在数码相框中的应用

5、软件层的设计与实现

　　5.1、系统任务层的组成和优先级的设计

　　系统任务层并行存在以下六个任务:总控任务、音频解码任务、视频解码任务、JPEG图片解码任务、GUI界面任务，图片显示任务。每个任务均有以下三部分组成:应用程序、任务的堆栈以及任务的状态机。任务堆栈用以存储CPU寄存器内容。当某任务由运行态变为其他状态时，CPU寄存器内容压入相应任务堆栈，反之则将相应任务堆栈内容置入CPU寄存器。任务的状态机记录了当前任务的运行状态，当有新的消息转发给任务时，任务可根据状态机查询相应的状态，来决定下一步的具体操作。操作系统也可以查询任务的状态机来获得当前任务的运行状态。

　　优先级的设定是根据任务的重要性和任务的实时性需求来定的。总控任务优先级最高，视频任务的实时性大于音频任务的实时性，所以将音频的优先级排在视频解码任务的后面。对于其他几个任务一般没有太多的约束，我们可以任意安排其优先级。优先级从高到底的顺序排列:总控任务，视频解码任务，音频解码任务，JPEG解码任务，图片显示任务，GUI界面任务。

　　5.2、系统任务间的消息通信机制与状态机的设计

　　在数码相框这个系统中，消息的类型主要有两类:

　　一是外部输入(键盘)转化的消息;二是任务之间相互传递的消息。第一类消息不知道消息的接受方，直接交给总控任务来处理，总控任务通过查询状态机获得各个任务目前的运行情况后，进行内部消息的转换，转发给目标任务，由目标任务来具体处理。目标任务接受到总控任务传送过来的内部消息之后，查询自身的状态机，执行相应的处理。每个任务都有一个时间点来查询新的消息。在音频解码任务中这个时间点设在解码数据流后填充buffer和播放buffer互换的时刻。图片显示任务是一个不断循环的显示过程，利用每次循环结束的时刻查询新的消息。第二类消息是任务之间相互传递的消息，任务知道消息的接受方。因此在两个需要相互通信的任务之间直接建立消息邮箱和信号量进行同步和通信。

　　状态机是记录任务运行状态的一种工具，对于数码相框这个系统来说，在不同的运行状况下对于相同按键的处理是不同的，所以必须通过状态机来实现任务的调度和处理。本文的状态机实现采取分块的思想，即一级一级从上往下对消息进行处理。上级的状态机不需要对消息的内容进行具体的处理，只要明确传递给下面的哪一个状态机来具体处理。针对数码相框这个产品，本文设计了两级状态机的实现机制。一级是总控任务的状态机，二级是各个应用程序的状态机。总控任务的状态机，主要用来对外部消息的转发;应用程序的状态机主要处理启动，退出，暂停等具体操作。如图3所示，总控任务查询到有新的消息进来后，首先查询当前各个任务的运行情况，然后判别消息的内容，将消息转换成内部消息分发给当前任务或者即将运行的任务。应用程序的任务状态机接受到总控状态机发送过来的内部消息之后，也是查询自身的状态机，并且检查消息的正确性，然后根据自身的运行状态执行相应的操作。具体如图4所示。

　　

 

　　图3总控任务的状态机流程

　　

 

　　图4　应用程序的状态机流程图

　　5.3、数码相框系统的整体实现过程

　　系统上电后从flash中执行boot.s启动代码，boot.s的主要作用就是初始化SDRAM，设置PLL，将保存在flash中的CODE拷贝到SDRAM中。因为flash中的数据可以永久保存，不会因为掉电而消失，而SDRAM则不行。

　　在主函数main中初始化UCOS-II操作系统，创建总控任务、视频解码任务、音频解码任务、图片显示任务、GUI界面任务，同时创建信号量和mailbox等系统资源等待应用程序调用，启动UCOS-II操作系统。此后CPU的控制权交给操作系统，操作系统将CPU的控制权首先给予优先级最高的总控任务。

　　总控任务运行后，驱动所有外接设备，包括LCD驱动、SPU驱动、GUI驱动、Timer驱动、双核的驱动，开启必要的中断位，随后总控任务开始轮询外部消息，有消息进来时根据上述描述的状态机，传递给其他任务，运行其他任务，同时保证每隔5个时钟节拍重新轮询一次消息队列，处理新的外部消息，没有新的消息立即释放CPU的控制权，返回正在运行的任务。

　　6　结束语

　　本文讨论了UCOS-II操作系统在ZEVIO1020上的移植过程，阐述了移植过程中的几个主要步骤，同时针对数码相框这个电子消费产品给出了整个系统任务的设计方法以及如何进行任务间的消息传递方案。解决了系统中多任务之间相互切换和多任务同时运行的困窘。充分挖掘了UCOS-II操作系统的特性，灵活运用了操作系统的资源并且予以实现。实验测试结果显示，各种任务模块可以在预想的方案中实现灵活的调度。

　　

 

　　图5　基于UCOS-II操作系统的数码相框实物图