μC/OS-II的多任務(wù)信息流與CAN總線驅(qū)動

關(guān)鍵詞：μC/OS-II RTOS嵌入式系統(tǒng) 設(shè)備驅(qū)動 中斷處理程序（ISR） 進(jìn)程調(diào)度

μC/OS-II是美國人Jean Labrosse編寫的一個免費的、源碼公開的嵌入式實時內(nèi)核。對于開發(fā)計算機嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品的技術(shù)人員來說是一個實用價值很高的實時嵌入式操作系統(tǒng)ERTOS（Embedded Real Time Operation System）。

　　要開發(fā)出完善的ERTOS，就要在多任務(wù)的調(diào)度和對I/O設(shè)備操作的穩(wěn)定性、協(xié)調(diào)性方面做出大量的工作，這也是我在開發(fā)ERTOS過程中深深體會到的重點所在。希望本文能對開發(fā)ERTOS的技術(shù)人員在多任務(wù)信息流和I/O驅(qū)動方面有所啟迪。

1 多任務(wù)信息流關(guān)鍵技術(shù)

　　在討論多任務(wù)信息流之前，先討論一下多任務(wù)的工作狀態(tài)。在μC/OS中，每個任務(wù)都是無限循環(huán)的，每個任務(wù)都處在以下五種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)，如圖1所示。

　　在多任務(wù)的調(diào)度和驅(qū)動程序的編寫過程中，必然要涉及到公用代碼段和共享存儲區(qū)的保護(hù)問題。即使是原有的C函數(shù)，可重用性方面在沒有得到理論和實踐的驗證情況下也需要對其進(jìn)行保護(hù)。這樣就需要合理的算法對公用代碼段、共享存儲區(qū)進(jìn)行保護(hù)，避免操作系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生重用性問題而導(dǎo)致運行結(jié)果不可預(yù)測。

　　系統(tǒng)在開發(fā)過程中，既要考慮到減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也要兼顧其穩(wěn)定性與運行效率的要求。這就需要我們對各種算法進(jìn)行合理的選擇：在穩(wěn)定性可以保障的情況下，選擇相對簡單，占用CPU時間少的算法；在穩(wěn)定性不能保障的情況下，考慮選擇周全的算法。只有這樣才能使操作系統(tǒng)在一定的配置環(huán)境下達(dá)到最高的運行效率。

　　接下來分別用void CanSendMessageProcess(void *data)、void CanSendMessage(void *data)、void CanReceiveMessageProcess(void *data)和void CanReceiveMessage(void *data)這四個任務(wù)來描述在采用消息隊列、郵箱和信號量通信機制時的信息流的傳遞過程。

　　（1）消息隊列通信機制

　　消息隊列在初始化的時候，建立一個指定空間大小的數(shù)組，這個數(shù)組在使用的時候取得了環(huán)形緩沖區(qū)的概念。這個數(shù)組在運行期間不會被消除，這樣就避免了重復(fù)建立數(shù)組的時候內(nèi)存空間的泄漏問題。當(dāng)一個任務(wù)向消息隊列發(fā)送一個信息的時候，相應(yīng)的指針加1（OSQIn+1），隊列滿時(OSQEntries = OSQSize)，OSQIn則與OSQOut指向同一單元。如果在OSQIn指向的單元內(nèi)插入新的指向消息的指針，就構(gòu)成FIFO（First-In-First-Out）隊列。相反，如果在OSQOut指向單元的下一個單元插入新的指針，就構(gòu)成LIFO隊列（Last-In-First-Out）。在本實例中，我們定義FIFO隊列。消息指針總是從OSQOut指向的單元取出。OSQStart和OSQEnd定義了消息指針數(shù)組的頭和尾，以便在OSQIn和OSQOut到達(dá)隊列的邊緣時，進(jìn)行邊界檢查和必要的指針調(diào)整，實現(xiàn)其循環(huán)功能。

　　消息隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct os_q {

struct os_q *OSQPtr; /* 在空閑隊列控制塊中鏈接所有的隊列控制塊*/

void *OSQStart; /*指向消息隊列的指針數(shù)組的起始地址的指針*/

void *OSQEnd; /* 指向消息隊列結(jié)束單元的下一個地址的指針*/

void *OSQIn; /* 指向消息隊列中插入下一條信息位置的指針*/

void *OSQOut; /* 指向消息隊列中下一個取出消息位置的指針*/

INT16U OSQSize; /* 消息隊列中總的單元數(shù)*/

INT16U OSQEntries; /*消息隊列中總的消息數(shù)量*/

} OS_Q;

圖2為消息隊列信息流的演示說明。

　?、?CanSendMessageProcess任務(wù)完成信息的計算工作以后，將要發(fā)送的信息送進(jìn)消息隊列1。

　?、?CanSendMessage任務(wù)負(fù)責(zé)取得消息隊列1里面的信息。

　?、?通過CAN總線I/O端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上去。如果消息隊列中沒有信息，則該任務(wù)由運行狀態(tài)進(jìn)入等待狀態(tài)，直到從消息隊列中接收到信息為止。

　?、?CanReceiveMessage任務(wù)負(fù)責(zé)讀取總線上面的信息。

　?、?CanReceiveMessage任務(wù)將讀取到的信息送入消息隊列2。

　?、?CanReceiveMessageProcess任務(wù)是從消息隊列2中取出信息開始計算工作，如果消息隊列為空的話，該任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)。

　　消息隊列適用于一對一、一對多、多對多和多對一的關(guān)系。也就是說，消息隊列可以作為一塊共享的公共區(qū)域，為實施互斥，任務(wù)間需要同步；為了合作，進(jìn)程間需要交換信息，這樣也就實現(xiàn)了同步和通信。

　?。?）郵箱通信機制

　　郵箱的概念和管道（管線）有相似的定義，一個任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序向另一個任務(wù)發(fā)送一個指針型的變量，該指針指向一個包含了特定“消息”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在源端的任務(wù)只能向郵箱寫，在目的端的任務(wù)只能從郵箱讀。郵箱傳輸流數(shù)據(jù)，即連續(xù)的字節(jié)串或流。因此，訪問一個郵箱就像是訪問一個順序文件。郵箱可以用來通知一個事件的發(fā)生（發(fā)送一條信息），也可以用來共享某些資源，這樣郵箱就被當(dāng)成一個二值信號量。

　　圖3為郵箱信息流的演示說明。

　?、?CanSendMessageProcess任務(wù)將計算好的數(shù)據(jù)發(fā)送給CanSendMessage任務(wù)，然后進(jìn)入就緒態(tài)等待應(yīng)答信號。CanSendMessage在接收的同時發(fā)送應(yīng)答握手信號給CanSendMessageProcess，確認(rèn)信息接收完畢。

　?、贑anSendMessage任務(wù)將CanSend MessageProcess任務(wù)發(fā)送來的信息發(fā)送到CAN總線，發(fā)送結(jié)束后進(jìn)入就緒態(tài)等待下一次傳輸工作。

　?、?CanReceiveMessage任務(wù)接收來自總線的信息流，將接收到的信息發(fā)送到Can 　ReceiveMessageProcess任務(wù)，進(jìn)入就緒態(tài)等待應(yīng)答信號。

　?、?CanReceiveMessageProcess任務(wù)收到信息后發(fā)送應(yīng)答握手信號。

　?。?）信號量通信機制

　　信號量（semaphore）是一種約定機制：兩個或多個任務(wù)通過簡單的信號進(jìn)行合作，一個任務(wù)可以被迫在某一位置停止，直到它接收到一個特定的信號。在多任務(wù)內(nèi)核中普遍將信號量用于：

　　◇ 標(biāo)志某事件的發(fā)生；

　　◇ 控制共享資源的使用權(quán)（滿足互斥條件）；

　　◇ 使兩個任務(wù)的行為同步。

　　信號量主要實施三種操作：

　　◇ 一個信號量可以初始化為非負(fù)數(shù)；

　　◇ 等待（wait）操作使信號量減1。如果值變成負(fù)數(shù)，則執(zhí)行等待的任務(wù)被阻塞。

　　◇ 得到CPU使用權(quán)的任務(wù)singal操作使信號量加1。如果值不是正數(shù)，則被等待操作阻塞的任務(wù)被解除阻塞。

　　為了滿足信息傳遞過程中實時高效的原則，在消息隊列中部分地引入信號量的概念。也就是CanSendMessageProcess任務(wù)，把若干個字節(jié)的信息一次性地發(fā)送到消息隊列，令信號量加1并由運行態(tài)進(jìn)入等待掛起狀態(tài)。在CanSendMessage任務(wù)獲得信號量后進(jìn)入就緒態(tài)，等待CPU的使用權(quán)進(jìn)入運行態(tài)。進(jìn)入運行態(tài)后，該任務(wù)使信號量減1并從消息隊列中取出信息后通過I/O端口發(fā)送到CAN總線。CanReceiveMessage任務(wù)和CanReceive MessageProcess任務(wù)執(zhí)行與上面相反的操作。這個實例說明了信號量用于標(biāo)志某事件的發(fā)生。（見圖2。）

2 μC/OS-II的中斷處理

　　μC/OS-II中，中斷服務(wù)程序一般用匯編語言來寫。以下是中斷服務(wù)程序的示意代碼。

　　用戶中斷服務(wù)程序:

　　保存全部CPU寄存器；

　　調(diào)用OSIntEnter或OSIntNesting直接加1；

　　執(zhí)行用戶代碼做中斷服務(wù)；

　　調(diào)用OSIntExit；

　　恢復(fù)所有CPU寄存器；

　　執(zhí)行中斷返回指令；

　　這里μC/OS-II提供了兩個ISR與內(nèi)核的接口函數(shù)：OSIntEnter和OSIntExit。OSIntEnter通知μC/OS-II內(nèi)核，中斷服務(wù)程序開始運行了。實際上，此函數(shù)做的工作是把一個全局變量OSIntNesting加1。在x86等有累加指令的CPU中，可以用指令代替OSIntEnter：

INC BYTE PTR OSIntNesting

此中斷嵌套計數(shù)器可以確保所有中斷處理完成后再作任務(wù)調(diào)度。另一個接口函數(shù)OSIntExit則通知內(nèi)核，中斷服務(wù)已結(jié)束。根據(jù)相應(yīng)情況，返回被中斷點（可能是一個任務(wù)或者被嵌套的中斷服務(wù)程序）或由內(nèi)核作任務(wù)調(diào)度。

　　用戶編寫的ISR必須被安裝到某一位置，以便中斷發(fā)生后，CPU根據(jù)相應(yīng)的中斷號運行準(zhǔn)確的服務(wù)程序。許多實時操作系統(tǒng)都提供了安裝、卸載中斷服務(wù)程序的API接口函數(shù)，有些成熟的RTOS甚至對中斷控制器的管理都有相應(yīng)的API函數(shù)。但 μC/OS-II內(nèi)核沒有提供類似的接口函數(shù)，需要用戶在對應(yīng)的CPU移植中自己實現(xiàn)。這些接口函數(shù)與具體的硬件環(huán)境有關(guān)，接下來PC體系下的中斷處理對此有詳細(xì)的說明。

3 PC體系下的中斷

　　X86系列的處理器可支持256個中斷，并用向量表的方法來關(guān)聯(lián)每個中斷和相應(yīng)ISR的位置。在實模式下，中斷向量表（IVT）存于內(nèi)存的低端1K。每個向量表條目占4字節(jié)，保存一個ISR的段地址和偏移信息。PC系統(tǒng)使用兩個級聯(lián)的可編程中斷控制器82C59A。一個82C59A能連接8個硬件中斷，編號為IRQ0~IRQ7。 PC總共可管理15個外部中斷源，PC的中斷控制器如圖4所示。（關(guān)于82C59A的詳細(xì)使用可參見有關(guān)資料。）

　　在μC/OS下，CAN總線I/O端口中斷向量設(shè)置偽代碼：

void CanInitHW(UI segment,BYTE Irq0,BYTE Irq1){

　　保存原有的中斷向量

　　保存掩碼寄存器的值

　　使82C59A的掩碼寄存器（0x21）各位置1，關(guān)閉中斷輸入

　　關(guān)閉CPU中斷

　　設(shè)置新的中斷向量

　　正在服務(wù)的中斷禁止再次響應(yīng)服務(wù)(假定當(dāng)前服務(wù)中斷是IRQ5)

　　開CPU中斷

　　清除82C59A的掩碼寄存器（0X21、0XA1）各位，開啟中斷輸入

}

4 信號量與緩沖隊列支持下的CAN總線驅(qū)動

　　前面介紹了μC/OS-II內(nèi)核下多任務(wù)調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)、中斷與PC體系下中斷的一般方法。又以82C59A的中斷5（IRQ5）、0x0D中斷向量為例，介紹了中斷服務(wù)子程序的重新分配和響應(yīng)SJA1000控制器收發(fā)的中斷服務(wù)子程序。

　　下面介紹信號量配合下的環(huán)形緩沖隊列與中斷處理程序之間的關(guān)系問題，這也是設(shè)備驅(qū)動部分的核心內(nèi)容。

　　ERTOS的驅(qū)動程序與其它操作系統(tǒng)有所不同。比如Windows、Unix、Solaris、Linux等操作系統(tǒng)弱化了設(shè)備的概念，用戶進(jìn)程對設(shè)備的使用可以通過文件系統(tǒng)來完成。然而，在μC /OS-II上開發(fā)CAN總線驅(qū)動程序沒有那么嚴(yán)格，只要滿足設(shè)備在連續(xù)的CPU時間上使用時不發(fā)生時間重疊就可以了。

　　串行設(shè)備或者其它字符型設(shè)備都存在外設(shè)處理速度和CPU速度不匹配的問題，所以需要建立相應(yīng)的緩沖區(qū)。向CAN口發(fā)送數(shù)據(jù)時，只要把數(shù)據(jù)寫到緩沖區(qū)，然后由SJA1000控制器逐個取出往外發(fā)。從CAN口接收數(shù)據(jù)時，往往等收到若干個字節(jié)后才需要CPU進(jìn)行處理，所以這些預(yù)收的數(shù)據(jù)可以先存于緩沖區(qū)。緩沖區(qū)可以設(shè)置收到若干個字節(jié)后再中斷CPU，這樣避免了因為CPU的頻繁中斷而降低系統(tǒng)的實時性。

　　在對緩沖區(qū)讀寫的過程中，經(jīng)常會遇到想發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送緩沖已滿；想去讀時，接收緩沖卻是空的。對于用戶程序端，可以采用查詢工作方式，即放棄無法讀寫的操作，然后再頻繁地去嘗試這個操作直到成功，這樣程序效率顯然降低。如果引入讀、寫兩個信號量分別對緩沖區(qū)兩端的操作進(jìn)行同步，問題將迎刃而解。用戶任務(wù)想寫但緩沖區(qū)滿時，在信號量上睡眠，讓CPU運行別的任務(wù)，待ISR從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)后喚醒此睡眠的任務(wù)；類似地，用戶任務(wù)想讀但緩沖區(qū)空時，也可以在信號量上睡眠，待外部設(shè)備有數(shù)據(jù)來了再喚醒。由于μC/OS-II的信號量提供了超時等待機制，CAN口當(dāng)然也具有超時讀寫能力。

　　帶緩沖和信號量的CAN口接收和發(fā)送部分見本刊網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）。

　　接口函數(shù)總結(jié)如下。

void CanInitHW(UI segment,BYTE irq0,BYTE IRQ1)

/*設(shè)置SJA1000控制器端口中斷向量*/

int canReleaseHW() /* 清除SJA1000控制器端口中斷向量*/

int canSendMsg( CANBYTE port, MSG_STRUCT msg)

/* 向定制SJA1000控制器端口發(fā)送數(shù)據(jù)*/

int canReceiveMsg( CANBYTE port, MSG_STRUCT msg_ptr)

/*從定制SJA1000控制器端口接收數(shù)據(jù)

int canConfig( CANBYTE port, CAN_STRUCT can)

/*初始化和配置SJA1000控制器 */

int canNormalRun( CANBYTE port )

/*設(shè)置SJA1000正常(Normal)運行模式 */

int canReset( CANBYTE port )

/* SJA1000控制器端口重新設(shè)置，緩沖區(qū)置位0xff*/

CANBYTE can0r( CANBYTE addr)

/*讀取SJA1000控制器端口0的定制寄存器的值 */

CANBYTE can1r( CANBYTE addr)

/*讀取SJA1000控制器端口1的定制寄存器的值 */

接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：

typedef struct {

INT16U RingBufRxCtr; /* 接收緩沖中字符數(shù)目 */

OS_EVENT RingBufRxSem; /* 接收信號量 */

INT8U RingBufRxInPtr; /* 接收緩沖中下一字符的寫入位置 */

INT8U RingBufRxOutPtr; /* 接收緩沖中下一待讀出字符的位置 */

INT8U RingBufRx[CAN_RX_BUF_SIZE]; /* 接收環(huán)形緩沖區(qū)*/

INT16U RingBufTxCtr;

/* 發(fā)送緩沖中字符數(shù)目 */

OS_EVENT *RingBufTxSem; /* 發(fā)送信號量 */

INT8U *RingBufTxInPtr;

/* 發(fā)送緩沖中下一字符的寫入位置 */

INT8U *RingBufTxOutPtr;

/* 發(fā)送緩沖中下一待讀出字符的位置 */

INT8U RingBufTx[CAN_TX_BUF_SIZE]; /* 發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)*/

} CAN_RING_BUF;

結(jié) 語

　　本文是在嵌入式計算機技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用背景下提出的，整個工程開發(fā)結(jié)束以后，系統(tǒng)正常運作時間超過27天。希望本文的提出對開發(fā)嵌入式操作系統(tǒng)的技術(shù)人員能有所幫助，同時也希望同一領(lǐng)域的開發(fā)人員共同探討、共同發(fā)展。