嵌入式應用軟體任務劃分的原則

嵌入式應用軟體任務劃分的原則

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在基於即時作業系統(RTOS，RealTime Operating System)的單片機應用軟體設計中，“任務”是一個很重要的概念。有專家指出[1]，把一個應用系統分為多少個任務且定義每一個任務各負責什麼事情，這是一門藝術。對於任務的劃分，並沒有一個人人都要遵守的規則，不同的人來設計一個同樣規格要求的系統，會有不同的方案。然而，到目前為止，很難看到有關論文對任務劃分的方法有比較詳細而系統的介紹。本文將深入研究劃分任務的方法，並在此基礎上，從實用的角度給出編寫基於RTX51 Tiny即時作業系統的應用軟體的指導方針。

1 任務的概念和應用軟體開發過程

在嵌入式即時多任務系統開發中，用C語言代碼錶示的任務是一個無限的迴圈程式。任務不能有返回，不能有退出出口，但是任務可以被殺死，包括被別的任務殺死或自殺[2]。任務的概念與作業系統中的進程概念相同，一個任務是獨立的執行進程，可以與其他的並發任務競爭CPU時間。

基於RTOS的單片機應用軟體開發過程：首先是根據系統設計方案明確應用軟體的功能，然後結合RTOS的並發特性(或准並發特性)，對應用軟體要實現的功能進行大小適當的劃分，也就是把應用軟體的功能按照一定的原則劃分為若干個任務模組，並對各個任務間的通訊和時延進行仔細的確認。

2 任務劃分的原則

任務劃分有3個原則，分別介紹如下。

2.1 原則1

原則1是將同一個外設的訪問放在一個任務中。

對每個獨立的硬體(例如串列通訊連接埠)進行操作的驅動程式段放在一個任務中。也就是說，要想對某個裝置資源進行操作，只有依靠執行相應的任務來實現。這樣無論何時切換任務，都不會對任何獨立的“外設”造成影響。

這樣做能夠避免嵌入式作業系統的特殊問題——資源衝突和重入問題，而且利於系統維護與升級。各個任務之間要實現通訊，可以調用os_send_signal函數及全域變數來實現。

所謂“資源衝突”，就是任務A在訪問某個資源時，恰好發生了任務切換——由任務A切換到任務B，任務B也訪問這個資源且改變了它的狀態，這樣當再次執行任務A時，就可能發生衝突或帶來不確定性。而所謂“重入”，是指假設任務A在運行某個函數，發生任務切換後，任務B也運行這個函數，這樣就會破壞任務A執行這個函數時的現場，從而可能導致任務A執行函數時結果不正確。這種問題尤其容易出現在串列介面器件的操作中，例如串口，串列的A/D、D/A器件等。

2.2 原則2

原則2是要通過任務分割提高系統的即時性。

在嵌入式多任務即時系統中，任務是指一個程式分段。這個程式分段被作業系統當作一個基本單元來調度。典型地，每個任務都是一個無限的迴圈。

RTOS本質上就是嵌入的即時核心，它負責管理各個任務，或者說是為每個任務分配CPU時間，並且負責任務之間的通訊。即時核心可分為可剝奪型和不可剝奪型兩類。因此，按照所使用核心的不同，嵌入式即時系統也可分為兩類：使用不可剝奪型核心的嵌入式即時系統和使用可剝奪型核心的嵌入式即時系統。

2.2.1 長任務的定義

在RTOS中，長任務就是指整個任務的執行時間較長，超出了RTOS中其他某一個或某幾個任務的即時要求容限，而對整個RTOS的即時性構成威脅的那些任務。需要注意的是，長任務與複雜任務不能混淆，複雜任務的執行時間不一定長，簡單任務也可能會構成長任務。

2.2.2 長任務對RTOS的影響

當使用可剝奪型即時核心時，長任務由於執行的時間較長，因而更容易被高優先順序的任務打斷；一旦高優先順序的任務進入了就緒狀態，當前任務的CPU使用權就被剝奪了，或者說任務被掛起了，那個高優先順序的任務立刻得到了CPU的控制權。這樣會出現兩個問題：一是長任務可能在一次執行的過程中被頻繁打斷，長時間得不到一次完整的執行；二是長任務被打斷時，可能要儲存大量的現場資訊，其目的是為了保證在高優先順序任務執行完返回後，長任務能得以繼續執行。然而，這樣做要佔用一定的系統資源，同時儲存現場本身也是要佔用CPU時間的，因此，即時性也會下降。

當使用不可剝奪型即時核心時，長任務對RTOS的影響更為明顯，因為在這種核心中，任務的回應時間取決於最長的任務執行時間。也就是說，由於長任務的存在，任務的回應時間要變長。其結果是CPU長時間停留在長任務中，其他任務得不到即時的響應，甚至根本得不到執行，系統的即時性勢必要下降。

總之，無論是使用可剝奪型核心，還是使用不可剝奪型核心，長任務都會對RTOS構成嚴重的威脅。

2.2.3 長任務問題的解決方案

解決長任務問題最有效途徑是進行任務分割。所謂“任務分割”是指將影響系統即時性的長任務分割成若干個小任務。這樣單個任務的執行時間變短，系統的任務回應時間變短，即時性得以提高。

（1） 對任務的分析與計算

當然，長任務的分割必須結合系統中所使用的核心，以及各任務對即時性的要求等情況，進行必要的分析與計算，才能保證分割的合理性和有效性，具體的步驟如下。

① 分析系統共有多少個任務，這些任務對即時性的要求有多高，求出各個任務所要求的最低執行頻率(f1，f2，…，fn)。

② 計算目前各任務的實際執行時間(t1，t2，…，tn)

③ 確定系統中的長任務。如果max(t1，t2，…，tn)≤min(1/f1，1/f2，…，1/fn)，則此系統中不存在長任務。如果max(t1，t2，…，tn)＞min(1/f1，1/f2，…，1/fn)，則存在長任務，而且執行時間為max(t1，t2，…，tn)的那個任務就是要找的長任務。

④ 分析此長任務是否需要分割，分析一下是什麼原因導致執行的時間過長，這個時間是否能夠通過程式的最佳化來縮短？如果能，則不需要進行任務分割；否則，要對這個長任務進行分割。

（2） 實施長任務分割

常用的任務分割的方法有以下兩種：

① 將長任務按功能分為若干個小模組，每一個模組構成一個小任務，每個小任務實現一種相對獨立的功能，且要保證執行時間t

② 有的長任務比較特殊，例如鍵盤任務和動態LED數位管顯示任務，很難按照上面的方法把它分成若干個功能相對獨立的小模組。這時，一般是按照方便儲存現場資訊的原則，將其強制分割成若干個小任務，每個小任務在min(1/f1，1/f2，…，1/fn)時間內主動儲存現場資訊、放棄CPU的控制權，等到再次被核心調度時繼續執行。這種分割方法相對而言較複雜，各任務之間界限不是很明顯，看似未經分割，但實際上它卻是由多次任務中斷來完成的。

2.3 原則3

原則3是要將軟體工程中的“解耦原則”用於任務劃分。

可以採用軟體工程中的解耦原則對應用程式進行任務的劃分。任務之間的耦合是影響軟體複雜程度的一個重要因素，應該採取下述設計原則：盡量使用資料耦合，少用控制耦合和特徵耦合，限制公用環境耦合的範圍，完全不用內容耦合。具體方法可參見軟體工程方面的書籍，例如文獻[3]。

3 基於RTX51 Tiny的應用軟體設計指導

RTX51是一個德國Keil Software公司開發的用於8051系列單片機的多任務即時作業系統[4]。RTX51有2個不同的版本。

（1） 完全版RTX51 Full

完全版RTX51 Full允許4個優先順序的任務時間片輪轉調度和搶先式的任務切換，可以並行地利用中斷功能。訊號和資訊可以通過郵箱系統在任務之間互相傳遞，可以從一個儲存池中分配和釋放記憶體，可以強迫一個任務等待中斷、逾時以及從另一個任務或中斷髮出的訊號或資訊。

（2） 小型版RTX51 Tiny

小型版RTX51 Tiny是RTX51的一個子集，它可以很容易地在沒有任何外部儲存空間的單片8051系統上運行。RTX51 Tiny僅支援時間片輪轉任務切換和使用訊號進行任務切換，不支援搶先式的任務切換，可以並行地利用中斷功能，可以強迫一個任務等待中斷、逾時以及從另一個任務或中斷髮出的訊號，不能進行資訊處理，也不支援儲存空間分配或釋放。RTX51 Tiny是一種不可剝奪型即時作業系統核心。

基於RTX51 Tiny即時作業系統的單片機應用軟體設計，首先應該根據RTX51 Tiny作業系統的准並發特性，對應用軟體要實現的功能進行大小適當的劃分——按照上述3個原則劃分為若干個任務模組，並對各個任務間的通訊和時延進行仔細的確認。

編寫基於RTX51 Tiny的應用軟體的指導方針如下：

① 包含標頭檔rtx51tny.h在應用程式中。

② 不要寫C語言主函數main()。RTX51 Tiny作業系統核心中已經有它自己的主函數main()。

③ 應用程式應該至少包括1個任務函數(task function)。

④ RTX51 Tiny應用程式必須中斷使能(EA=1)，因為RTX51 Tiny作業系統使用了定時器T0中斷。

⑤ 應用程式至少調用1個RTX51 Tiny系統函數(如os_wait)；否則，連結器將不會把RTX51 Tiny的系統庫包含到應用程式中。

⑥ 任務task0是應用程式中第一個執行的函數。在任務task 0中，必須調用os_create_task函數來運行其他任務。

⑦ 任務task函數不必退出或返回。任務task必須使用一個while(1)結構或其他類似的結構。任務task函數不帶參數，也沒有傳回值。使用系統函數os_delete_task掛起(halt)一個啟動並執行任務。

⑧ 中斷服務程式的編寫方式，與不使用RTX51 Tiny作業系統下的編寫方式相同。

⑨ 編譯和連結應用程式有2種途徑，一種是使用整合式開發環境μVision 2 IDE，另一種是使用命令列工具CommandLine Tools。一般採用德國Keil Software公司提供的整合式開發環境 μVision 2 IDE。

利用Keil Software公司提供的整合式開發環境 μVision 2 IDE，建立RTX51 Tiny應用程式的開始的步驟如下：

① 運行Keil Software公司的整合式開發環境 μVision 2 IDE。

② 運行功能表命令Project→Options for Target‘Target 1’，開啟Target對話方塊，並在對話方塊中選擇Target選項卡。

③ 從Operating system下拉式清單方塊中選擇RTX51 Tiny，1所示。

 

圖1 選擇RTX51 Tiny即時作業系統

4 結論

本文給出了劃分任務的3個原則，分別是“對同一個外設的訪問放在一個任務中”、“通過任務分割提高系統的即時性”和“軟體工程中的‘解耦原則’用於任務的劃分”。實踐證明，這些任務劃分的原則是行之有效。另外，從實用的角度給出了編寫基於RTX51 Tiny即時作業系統應用軟體的指導方針。實際上，RTX51 Tiny即時作業系統對目標系統的硬體需求是很低的，隨著半導體技術的發展，能夠運行嵌入式即時作業系統的單片機晶片是很容易採購得到的。

人們越來越清楚地認識到，在嵌入式系統設計中引入即時作業系統的必要性[5]。在許多嵌入式系統中，不但要求系統能夠及時響應隨機發生的外來事件，並對其作出快速處理，通常還需要同時執行多個任務，並對每個任務作出即時響應。實踐證明，對於這樣的應用，採用嵌入式即時作業系統作為應用軟體的設計平台和運行平台是一個良好的選擇。