1.前言

近年來，嵌入式發(fā)展迅速，采用51單片機死循環(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，可出于成本和技術上的考慮，微控制器往往不會選取其進行設計。在實際應用中，往往會面臨同時應付多外設、多任務的情況，則對它們的相互調度必不可少。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)。

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

2.AVR微控制器的結構特點

AVR是目前使用以該系列的ATmega128為例說明，它采用哈佛結構，RISC指令集、低功耗、片上資源豐富的特點，極大簡化了外圍電路，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。其特點為嵌入式系統(tǒng)設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，通常采用兩種本質上不同的調度方式：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)生時間具有隨機性;而時間觸發(fā)方式由一個全局時鐘驅動，系統(tǒng)的行為在功能與時間上都是確定的，即具有可預測性。

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)的產品帶來災難性的后果。中斷事件丟失在實際應用中是一個不爭的事實，產生的原因有多方面，但無外乎內因和外因兩種。外因指嵌入式系統(tǒng)外產生的原因，這里主要指中斷源信號丟失或過于頻繁;而內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)者編程時對任務中斷優(yōu)先級設置錯誤以及任務處理不當所致。

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“隨機的”時間間隔產生中斷，則中斷響應可能被遺漏。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)復雜性，而且降低了系統(tǒng)在所有情況下的行為預測能力。至于使用效率，Metzner討論并得出結論：一個包含27個任務、采用RM調度算法的事件觸發(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，設計人員能夠通過仔細安排可控的順序，保證一次只處理一個事件。它的可預測性使其成為安全相關的系統(tǒng)的首選。

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

4.時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設計

在該調度器中，定時器的設置被分離出來，并使之不依賴于編譯器的數(shù)據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

消息隊列是調度器的核心，它是用戶自定義的數(shù)據類型，包括了每個任務所需要的信息。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)的混合式調度器，使用如下的數(shù)據結構，對于每個任務存儲器的開銷僅為8個字節(jié)。即使是使用32位處理器，每個任務的開銷也僅為14個字節(jié)。

4.2 調度器定時器初始化函數(shù)

該函數(shù)用來產生驅動調度器的定時時標。

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)，任一個都能用來驅動調度器，權衡考慮選用定時器0.

void SCH_Init_T0(void){逐個刪除各個任務;停止定時器0;設置時間大小函數(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：

SREG=0×80或SEI();調度器必須先設定一個默認的時間片，這并不是件簡單的事。時間片過長會導致系統(tǒng)對交互行為的響應表現(xiàn)欠佳;時間片太短又會明顯地增大調度器處理耗時，而留給任務運行的時間卻很短。

根據筆者經驗，一個較為可取的時間片是略大于一次典型的交互所需要的時間，使大多數(shù)進程在一個時間片內完成。經反復嘗試，時間片選擇在1~5ms之間執(zhí)行效率較高，這樣既可滿足響應速度的要求又能把任務執(zhí)行的時間降到最低。該時間與任務個數(shù)和任務運行時間均有關，具體大小視情況而定。

4.3 中斷服務程序

建議該函數(shù)由CTC方式激活，當某任務需要運行時，使之處于就緒態(tài)等待被執(zhí)行。該函數(shù)內容由具體任務而定。

4.4 調度器任務添加函數(shù)

該函數(shù)用來將任務添加到消息隊列，以保證條件滿足時被調用，函數(shù)如下所示：

{定義靜態(tài)變量i;循環(huán)判斷任務隊列是否有空間;若無，報錯返回;否則，添加任務;}

4.5 調度函數(shù)

刷新函數(shù)雖然能夠直接激活任務，但若直接運行，長任務將破壞時標中斷，這意味著所有的系統(tǒng)定時都將受到嚴重影響，造成許多任務不能被調度。因此，為了在長任務存在的情況下使調度器的可靠性最大化，分離刷新和調度這兩個操作是必要的。

時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)采用的是FCFS算法，為了提高系統(tǒng)的響應速度，必須要求Durationtask

void SCH_Dispatch_Tasks(void){定義靜態(tài)變量i;如果運行標志位大于0,則執(zhí)行該任務;該標志位清零;如果是單次任務，則將其刪除;}

4.6 調度器任務刪除函數(shù)

void SCH_Delete_Task(const uint8task_id){定義 靜態(tài)返回值;若指針函數(shù)為空，返回空閑代碼;否則，對其延遲、周期、狀態(tài)等變量清零;返回代碼;}

5.應用實驗

以電磁爐系統(tǒng)為例，進一步介紹基于AVR微控制器的時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的具體應用。

電磁爐系統(tǒng)是一個復雜的嵌入式系統(tǒng)，如圖2所示，AVR要處理大量的外圍設備，為便于開發(fā)，將整個程序按照硬件及功能進行模塊劃分，各個功能模塊之間通過傳遞消息的方式來完成多任務的處理。

針對該應用，可設計功能模塊：MSGMap[],該數(shù)組由各個功能模塊組成，具體子函數(shù)如表1所列，使用函數(shù)數(shù)組的方式可以增強程序的擴展能力。如果有新的外設，只需在這里添加對應的模塊入口，并完成相應的模塊就可以增加系統(tǒng)的功能。

其中每個任務的運行周期間隔時間是程序中設定的參數(shù)(周期應為4ms的倍數(shù))，具體執(zhí)行時間由AVR Studio測得，均應小于設定時間片4ms,否則應用將出錯，需重新設定時間片大小或再次分割功能模塊。其中看門狗處理任務是唯一的搶占式任務。

6.結論

實驗表明，以AVR微控制器為核心的控制系統(tǒng)，外圍擴展功能強大、開發(fā)較簡單，結合以時間觸發(fā)理念為內核的操作系統(tǒng)，設計時一次只為一個任務分配空間，每個任務的存儲開銷只有8個字節(jié)，采用由C語言與匯編混合式編程，簡單、安全，可預測性強，尤其適用于對成本和穩(wěn)定性均有要求的中小企業(yè)。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，基于AVR的時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)必然有著廣闊的應用前景。