浅谈嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ面向数控系统的改进

嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高，占用空间小，可移植性强，实时性能优良和可扩展性强等特点。数控系统是一个典型的强实时性系统，具有可确定性。可确定性主要是确保条件出现到由此引起的动作开始（或者结束）的时间在一个准确的时段内。在数控系统中，条件是由操作员的指令（如：紧急停止、移动x轴等）或是机床的状态（如刀具破损等）引起的。本文分析了数控系统任务的特点，结合μC／OS-Ⅱ的内核体系，对μC／OS-Ⅱ的任务分类、任务调度和中断服务策略做了改进，使其更加适合于数控系统的应用。
　　1 μC／OS-Ⅱ对任务的分类
　　μC／OS-Ⅱ中每个任务有5种状态：休眠（DORMANT）、就绪（READY）、运行（RUNNING）、等待（WAITING）、中断（ISR）。休眠状态的任务驻留在存储器中，还未被内核使用；就绪状态的任务准备执行，优先级低于当前执行的任务，没有得到CPU控制权；任务得到CPU控制权后就处于运行状态；等待事件发生的任务处于等待状态，事件可以是I／O操作完成、共享资源可以利用、时钟周期到等；任务执行过程被中断服务例程中断，任务就处于中断状态。
　　2 μC／OS-Ⅱ面向数控系统的改进
　　2．1 数控系统任务的特点
　　在数控系统中，任务可分为两种：周期运行的任务和信号触发运行的任务，这里所说的信号即包括硬件信号，也包括软件信号。周期运行的任务有定时信号采样、定时I／O口扫描、定时通信等。信号触发运行的任务有中断信号（硬件信号）触发的中断服务任务，命令消息信号（软件信号）触发的命令解释任务等。另外，数控系统中，有些任务还具有运行时间短，运行频率高，要求实时性高的特点，如信号采样、数控机床中的插补控制等。
　　2．2 改进后的任务划分
　　在改进后的嵌入式操作系统中任务分为两类：普通任务和抢占式任务。普通任务指通过操作系统调度器调度运行的任务，调度方法如图1所示；抢占式任务指那些不通过调度器调度运行，而是在中断处理中直接运行的任务。下面详细说明这两种任务。
　　
　　2．2．1 普通任务
　　根据数控系统任务多为周期任务和信号触发任务这一特点，将普通任务分为两种：定时运行的周期任务（简称周期任务）和信号触发运行的随机任务（简称随机任务）。相应的，任务状态被划分为6种：运行态、就绪态、等待态、停止态、挂起态和中断态。图1为改进后的任务状态切换图。
　　在这六种状态中，运行态、就绪态和中断态对应μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；挂起态是任务在执行完成前，因等待某事件或资源而被迫停止运行，等待事件或资源到来的状态；等待态是周期任务完成一次运行，等待运行周期到再次运行时的状态；停止态是随机任务等待其触发信号的状态。这里去掉了休眠态，即没有任务的删除，所有的任务一旦建立，在系统运行期间一直存在。这样的处理是因为在数控系统应用中，所有建立的任务一定是有用的，即在系统运行期间一定会被执行，无用的代码和任务不会被添加。在μC／OS-Ⅱ中，设定每个任务都是一个无限的循环，即任务函数永不返回，这样做是不合适的。该操作系统允许任务函数返回，返回后调用函数OSTaskEndDeal（），该函数根据任务的类别，把周期任务放入等待队列，把随机任务放入停止队列。
　　2．2．2 抢占式任务
　　抢占式任务为执行时间短且执行频率高于OS系统时钟频率（如信号采样），或实时要求高（如数控机床中的插补控制）的任务。调度任务时间（主要是任务切换所花费的时间）往往比这类任务运行一次的时间还多，这显然是不合理的，抢占式任务正是为解决这种不合理而设计的。抢占式任务不通过OS调度器调度运行，也不采用TCB（任务控制块）标识它们，而是在它们的中断触发信号到达时，在中断中_直接处理，这样做节省了调度、任务切换的时间。但是，由于抢占式任务没有TCB，也就没有相应的任务堆栈，所以抢占式任务在使用资源上要特别注意：一定要使用独立的资源。这样既可以使抢占式任务正常运行，又可以避免抢占式任务对被中断程序的环境造成破坏。具体办法如下：
　　（1）专用寄存器组。若处理程序中使用了寄存器，则为其分配专用的寄存器组，这样也省去了保存／恢复寄存器的时间消耗。
　　（2）全局变量。因为函数内部的局部变量是分配在堆栈中的，直接处理方式不形成任务，没有自己的堆栈，如果使用局部变量，其局部变量会分配在被中断任务的堆栈内，所以在该方式下任务应使用全局变量。用户在设计抢占式任务时要有一定限制，否则会影响系统的响应时间。具体限制如下：第一，数量不能太多，最好小于等于3个；第二，必须是执行时间短，执行频率高的任务才能被设为抢占式任务。
　　3 需要修改的内核数据和函数