基于時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

1.引言

近年來，嵌入式發(fā)展迅速，采用51單片機(jī)死循環(huán)的事件觸發(fā)編程方式已逐漸不能滿足企業(yè)對產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性的要求。目前，嵌入式系統(tǒng)軟件有VxWork、Linux、WinCE、μC/OS-II等，可出于成本和技術(shù)上的考慮，微控制器往往不會選取其進(jìn)行設(shè)計。在實際應(yīng)用中，往往會面臨同時應(yīng)付多外設(shè)、多任務(wù)的情況，則對它們的相互調(diào)度必不可少。時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)就是這樣的簡單實用的操作系統(tǒng)。

本文設(shè)計了基于AVR微控制器的時間觸發(fā)多任務(wù)調(diào)度器并應(yīng)用于實際。該調(diào)度器使用傳遞消息(message)的方式使得微控制器在多個任務(wù)及設(shè)備間切換。

2.AVR微控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AVR是目前使用以該系列的ATmega128為例說明，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，RISC指令集、低功耗、片上資源豐富的特點(diǎn)，極大簡化了外圍電路，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。其特點(diǎn)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了良好的硬件保證。

3.嵌入式兩種觸發(fā)方式的對比

在嵌入式系統(tǒng)中，通常采用兩種本質(zhì)上不同的調(diào)度方式：事件觸發(fā)和時間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級中斷來實現(xiàn)，其發(fā)生時間具有隨機(jī)性;而時間觸發(fā)方式由一個全局時鐘驅(qū)動，系統(tǒng)的行為在功能與時間上都是確定的，即具有可預(yù)測性。

3.1 事件觸發(fā)方式存在的問題

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員有一種中斷事件絕不會丟失的錯誤觀念，這往往給開發(fā)的產(chǎn)品帶來災(zāi)難性的后果。中斷事件丟失在實際應(yīng)用中是一個不爭的事實，產(chǎn)生的原因有多方面，但無外乎內(nèi)因和外因兩種。外因指嵌入式系統(tǒng)外產(chǎn)生的原因，這里主要指中斷源信號丟失或過于頻繁;而內(nèi)因又可分為硬件原因和軟件原因，硬件原因主要由所用嵌入式器件的中斷嵌套能力所致，軟件原因主要由開發(fā)者編程時對任務(wù)中斷優(yōu)先級設(shè)置錯誤以及任務(wù)處理不當(dāng)所致。

例如，中斷0是一個高優(yōu)先級中斷，而中斷1是一個低優(yōu)先級中斷，則由高優(yōu)先級中斷激活的中斷服務(wù)程序不能被低優(yōu)先級的中斷打斷。于是，對第二個中斷的響應(yīng)將被延遲，甚至在一些情況下它有被完全忽略的可能。

如果多個中斷源可能在“隨機(jī)的”時間間隔產(chǎn)生中斷，則中斷響應(yīng)可能被遺漏。實際上，在同時有幾個有效的中斷源的情況下，幾乎不可能創(chuàng)建程序代碼來正確地處理所有可能的中斷組合。并且同時處理多個事件不但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，而且降低了系統(tǒng)在所有情況下的行為預(yù)測能力。至于使用效率，Metzner討論并得出結(jié)論：一個包含27個任務(wù)、采用RM調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實際利用率僅為18%.

3.2 時間觸發(fā)方式的優(yōu)勢

在該系統(tǒng)中，設(shè)計人員能夠通過仔細(xì)安排可控的順序，保證一次只處理一個事件。它的可預(yù)測性使其成為安全相關(guān)的系統(tǒng)的首選。

Kopetz首先提出：使用基于時間觸發(fā)的合作式調(diào)度器會使得系統(tǒng)有非常好的可預(yù)測性。除可提高可靠性之外，使用該方式有助于減輕CPU的負(fù)荷及存儲器的使用量。

4.時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計

在該調(diào)度器中，定時器的設(shè)置被分離出來，并使之不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型以及處理器的位數(shù)，通過修改該部分可以輕松移植到多種硬件平臺。系統(tǒng)整體方框圖如圖1所示：

4.1 消息隊列

消息隊列是調(diào)度器的核心，它是用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，包括了每個任務(wù)所需要的信息。盡量將其存儲在DATA區(qū)，以供快速存取。

對于基于時間觸發(fā)的混合式調(diào)度器，使用如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于每個任務(wù)存儲器的開銷僅為8個字節(jié)。即使是使用32位處理器，每個任務(wù)的開銷也僅為14個字節(jié)。

4.2 調(diào)度器定時器初始化函數(shù)

該函數(shù)用來產(chǎn)生驅(qū)動調(diào)度器的定時時標(biāo)。

本文所選用AVR系列的ATmega128微控制器具有四個定時器(兩個8位，兩個16位)，任一個都能用來驅(qū)動調(diào)度器，權(quán)衡考慮選用定時器0.

void SCH_Init_T0(void){逐個刪除各個任務(wù);停止定時器0;設(shè)置時間大小函數(shù);使能定時器0方式;啟動定時器0;}

注：在此期間不可開啟總中斷，即：