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          如何設計嵌入式系統

          • 時間:2019-05-20 11:58
          • 發布:轉載
          • 來源:網絡

          如何設計嵌入式系統?本文小編帶大家一起來了解一下。

          1.多任務機制

          其實在單一CPU 的情況下,是不存在真正的多任務機制的,存在的只有不同的任務輪流使用CPU,所以本質上還是單任務的。但由于CPU執行速度非常快,加上任務切換十分頻繁并且切換的很快,所以我們感覺好像有很多任務同時在運行一樣。這就是所謂的多任務機制。

          實時系統的特征是延時可預測,能夠在一個規定的時間內(通常是 ms 級別的)對某些信號做出反應。

          2

          任務的狀態

          任務有下面的特性:任務并不是隨時都可以運行的,而一個已經運行的任務并不能保證一直占有 CPU 直到運行完。一般有就緒態,運行態,掛起態等。

          運行態:一個運行態的任務是一個正在使用 CPU 的任務。任何時刻有且只有一個運行著的任務。

          就緒態:一個就緒態任務是可運行的,等待占有 CPU 的任務釋放 CPU。

          掛起態:某些條件不滿足而掛起不能運行的狀態。

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          如何轉化為就緒態

          INT32U OSRdyTbl; /* 就緒任務表 */

          上面定義一個 32 位變量,每一位代表一個任務,0 表示掛起狀態,1 表示就緒狀態。它記錄了各任務的就緒與否狀態,稱它為就緒表。OSRdyTbl 定義為 32 位變量,對應32 個任務。當然,定義為 64 位的話,便最多能支持 64 個任務。這樣,可以定義兩個宏,實現把任務的狀態變為就緒或掛起態。

          /* 在就緒表中登記就緒任務 */

          #define OSSetPrioRdy(prio) { OSRdyTbl |= 0x01<<prio;} //把相應位置1

          /* 從就緒表中刪除任務 */

          #define OSDelPrioRdy(prio) { OSRdyTbl &= ~(0x01<<prio); }//把相應位清零

          任務之間互相獨立,不存在互相調用的關系。所有任務在邏輯上都是平等的。由于任務之間互相看不見,所以他們之間的信息傳輸就無法當面完成。這就需要各種通信機制如信號量,消息郵箱,隊列等來實現。

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          什么是搶占式調度?

          調度的概念,通俗的說就是系統在多個任務中選擇合適的任務執行。系統如何知道何時該執行哪個任務?可以為每個任務安排一個唯一的優先級別,當同時有多個任務就緒時,優先運行優先級較高的任務。同時,任務的優先級也作為任務的唯一標識號。代碼中都是對標識號來完成對任務的操作的。

          所謂“搶占式調度”是指:一旦就緒狀態中出現優先權更高的任務,便立即剝奪當前任務的運行權,把CPU分配給更高優先級的任務。這樣CPU 總是執行處于就緒條件下優先級最高的任務。

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          多任務系統的時間管理

          與人一樣,多任務系統也需要一個“心跳”來維持其正常運行,這個心跳叫做時鐘節拍,通常由定時器產生一個固定周期的中斷來充當。

          OSTimeDly 函數就是以時鐘節拍為基準來延時的(在時鐘的中斷服務函數中,依次對各個延時任務的延時節拍數減1。若發現某個任務的延時節拍數變為0,則把它從掛起態置為就緒態。)。這個函數完成功能很簡單,就是先掛起當起當前任務,設定其延時節拍數,然后進行任務切換,在指定的時鐘節拍數到來之后,將當前任務恢復為就緒狀態。任務必須通過OSTimeDly或 OSTaskSuspend 讓出CPU的使用權(延時或等待事件),使更低優先級任務有機會運行。

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          如何實現多任務?

          只有一個CPU,如何在同一時間實現多個獨立程序的運行?要實現多任務,條件是每個任務互相獨立。人如何才能獨立,有自己的私有財產。任務也一樣,如果一個任務有自己的CPU,堆棧,程序代碼,數據存儲區,那這個任務就是一個獨立的任務。(CPU是通過多任務機制獲得的,其他的需要你分配)

          TIPS:

          如果一個任務正在運行某個公共函數時(如Printf), 被另一個高優先級的任務搶占,那么當這個高優先級的任務也調用同一個公共函數時,極有可能破壞原任務的數據。因為兩個任務可能共用一套數據。為了防止這種情況發生,常采用兩種措施:可重入設計和互斥調用。

          可重入函數中所有的變量均為局部變量,局部變量在調用時臨時分配空間,所以不同的任務在不同的時刻調用該函數時,它們的同一個局部變量所分配的存儲空間并不相同(任務私有棧中),互不干擾。另外,如果可重入函數調用了其他函數,則這些被調用的函數也必須是可重入函數。

          實現互斥(獨占)訪問的方法有關中斷,關調度,互斥信號量,計數信號量等。

          6.1 一個任務如何擁有自己的程序代碼

          對于如何實現多任務,首先是程序代碼,每個任務的程序代碼與函數一樣,與51 的裸奔程序一樣,每個任務都是一個大循環。然后是數據存儲區,由于全局變量是系統共用的,各個任務共享,不是任務私有,所以這里的數據存儲區是指任務的私有變量,如何變成私有?局部變量也。編譯器是把局部變量保存在棧里的,所以好辦,只要任務有個私有的棧就行。

          TIPS:

          臨界資源是一次僅允許一個任務使用的共享資源。每個任務中訪問臨界資源的那段程序稱為臨界區。

          在多任務系統中,為保障數據的可靠性和完整性,共享資源要互斥(獨占)訪問,所以全局變量(只讀的除外)不能同時有多個任務訪問,即一個任務訪問的時候不能被其他任務打斷。共享資源是一種臨界資源。

          6.2 一個任務如何擁有自己的堆棧、數據存儲區

          私有棧的作用是存放局部變量,函數的參數,它是一個線性的空間,所以可以申請一個靜態數組,把棧頂指針SP指向棧的數組的首元素(遞增棧)或最后一個元素(遞減棧)。即可打造一個人工的棧出來。每個任務還要有記錄自己棧頂指針的變量,保存在任務控制塊(TCB)中。

          什么是任務控制塊?

          系統中的每個任務具有一個任務控制塊,任務控制塊記錄任務執行的環境,這里的任務控制塊比較簡單,只包含了任務的堆棧指針和任務延時節拍數。任務控制塊是任務的身份證。它把任務的程序與數據聯系起來,找到它就可以得到任務的所有資源。

          6.3 一個任務如何擁有自己的CPU

          最后來看看任務是如何“擁有”自己的CPU 的。只有一個 CPU,各個任務共享,輪流使用。如何才能實現?我們先來看看中斷的過程,當中斷來臨時,CPU 把當前程序的運行地址,寄存器等現場數據保存起來(一般保存在棧里),然后跳到中斷服務程序執行。待執行完畢,再把先前保存的數據裝回CPU 又回到原來的程序執行。這樣就實現了兩個不同程序的交叉運行。

          借鑒這種思想不就能實現多任務了嗎!模仿中斷的過程就可以實現任務切換運行。任務切換時,把當前任務的現場數據保存在自己的任務棧里面,再把待運行的任務的數據從自己的任務棧裝載到CPU中,改變 CPU 的 PC,SP,寄存器等。可以說,任務的切換是任務運行環境的切換。而任務的運行環境保存在任務棧中,也就是說,任務切換的關鍵是把任務的私有堆棧指針賦予處理器的堆棧指針SP。

          創建一個任務。它接收三個參數,分別是任務的入口地址,任務堆棧的首地址和任務的優先級。調用本函數后,系統會根據用戶給出的參數初始化任務棧,并把棧頂指針保存到任務控制塊中,在任務就緒表標記該任務為就緒狀態。最后返回,這樣一個任務就創建成功了。

          當一個任務將要運行時,便通過取得它的堆棧指針(保存在任務控制塊中)將這些寄存器出棧裝入CPU 相應的位置即可。

          6.4 如何實現搶占式調度?

          基于任務優先級的搶占式調度,也就是最高優先級的任務一旦處于就緒狀態,則立即搶占正在運行的低優先級任務的處理器資源。為了保證CPU 總是執行處于就緒條件下優先級最高的任務,每當任務狀態改變后,即判斷當前運行的任務是否是就緒任務中優先級最高的,否則進行任務切換。

          任務狀態會在什么時候發生改變呢?有下面兩種情況:

          1、高優先級的任務因為需要某種資源或延時,主動請求掛起,讓出處理器,此時將調度就緒狀態的低優先級任務獲得執行,這種調度稱為任務級的切換。如任務執行OSTimeDly()或OSTaskSuspend()把自身掛起就屬于這種。

          2、高優先級的任務因為時鐘節拍到來,或在中斷處理結束后,內核發現更高優先級任務獲得了執行條件(如延時的時鐘到時)則在中斷后直接切換到更高優先級任務執行。這種調度也稱為中斷級的切換。

          6.5 掛起/恢復任務

          1. 掛起任務

          通過 OSTaskSuspend()可以主動掛起一個任務。OSTaskSuspend()會把任務從任務就緒表中移出,最后重新啟動系統調度。這個函數可以掛起任務本身也可以掛起其他任務。

          2 .恢復任務(OSTaskResume())

          可以讓被 OSTaskSuspend 或 OSTimeDly 掛起的任務恢復就緒態,然后進行任務調度。

          以上就是本文為大家分享的如何設計嵌入式系統的文章,希望對小伙伴們有所幫助。

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