第8章基于ucos-ii的程序設(shè)計實例

1、第八 基于 的程設(shè)計例8.1 實例介為了使讀者對 COS-II 操作系統(tǒng)有更深的理解，本章將介紹一個在 STM32F103 處理器平臺上使用 COS-II 實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計實例。此實例使 用英倍特公司提供的 STM103V100 評估板來實現(xiàn)一個簡易溫度計。該實例使用 STM103V100 評估板自帶的高靈敏度數(shù)字溫度傳感器來傳送溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)實際采 樣周期的需要，安排了四種不同的采樣方式。采樣的條件和周期可以通過鍵盤輸入 進(jìn)行調(diào)節(jié)，采樣得到的結(jié)果可以在評估板的液晶屏上同步顯示，并通過串口將采樣 所得的結(jié)果送到上位機(jī)。關(guān)于 STM103V100 評估板的更多內(nèi)容超出本書范圍，請讀 者參閱

2、其它相關(guān)資料。8.2 實例分本節(jié)主要分析如何通過基于實時操作系統(tǒng)編程的方法實現(xiàn)整個系統(tǒng)的所有功 能。下面的內(nèi)容將從任務(wù)劃分開始，詳細(xì)說明任務(wù)分析的過程。8.2.1 實例任務(wù)劃分為了更合理的將整個系統(tǒng)劃分為不同任務(wù)，首先要明確一個好的實時系統(tǒng)應(yīng) 具備那些特點，即任務(wù)劃分的基本原則是什么。一般說來，任務(wù)劃分的基本原則有 以下幾點：滿足系統(tǒng)“實時性”：一般使用 COS-II 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，對于響應(yīng)時間 要求很高，如果實時性得不到滿足，系統(tǒng)會出現(xiàn)錯誤甚至導(dǎo)致難以挽回的故障。因 此在任務(wù)劃分時，保證系統(tǒng)實時性是首要原則。較少資源需求：多個任務(wù)協(xié)同運轉(zhuǎn)，依靠操作系統(tǒng)的調(diào)度策略。任務(wù)之間的 同步，任務(wù)之間

3、的通信，內(nèi)存管理都需要消耗系統(tǒng)資源。所以在任務(wù)劃分時，盡量 將使用同類資源的應(yīng)用歸入同一任務(wù)中，以減少操作系統(tǒng)調(diào)度時所消耗的資源。合理的任務(wù)數(shù)：同一系統(tǒng)，任務(wù)劃分的數(shù)目越多，每個任務(wù)的功能越簡單， 實現(xiàn)越容易，但任務(wù)數(shù)目的增多，加大了操作系統(tǒng)的調(diào)度負(fù)擔(dān)，資源開銷也隨之加 大；相反，如果任務(wù)劃分的數(shù)目太少，會增加每個任務(wù)的復(fù)雜性，使任務(wù)設(shè)計難度 加大。最極端的情況，當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)數(shù)目減少到 時，也就失去了使用多任務(wù)操作系 統(tǒng)的意義。對一個具體的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)劃分時，可以有不同的任務(wù)劃分方 案。常用的任務(wù)劃分方法有：以硬件模塊為對象劃分任務(wù)、以實時性優(yōu)先原則劃分 任務(wù)和切分耗時任務(wù)等。所謂“以

4、硬件模塊為對象劃分任務(wù)”就是根據(jù)系統(tǒng)需求， 以硬件模塊相關(guān)驅(qū)動為基礎(chǔ)，根據(jù)硬件驅(qū)動在系統(tǒng)中的關(guān)鍵性設(shè)定優(yōu)先級的任務(wù)劃 分方法；“實現(xiàn)性優(yōu)先原則劃分任務(wù)”即，將對實時性要求較高的應(yīng)用劃分為單獨 任務(wù)，并賦予較高的優(yōu)先級來保證整個系統(tǒng)實時性的要求；而“切分耗時任務(wù)”的 任務(wù)劃分方法，顧名思義就是將一些占用大量 處理時間的繁瑣應(yīng)用從系統(tǒng)中分 離出來，作為一個優(yōu)先級較低的任務(wù)在系統(tǒng)空閑時運行。根據(jù)上述任務(wù)劃分的原則和方法，本實例被劃分為 個任務(wù)：包括 4 個采用 任務(wù)，1 個負(fù)責(zé)和用戶交互的鍵盤任務(wù)，1 個顯示任務(wù)和 個向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)的 串口發(fā)送任務(wù)。其中，4 個采樣任務(wù)分別使用不同的采樣條件：延時

5、采樣、使用系 統(tǒng)時鐘節(jié)拍采樣、定時中斷采樣和使用高優(yōu)先級中斷的采樣。鍵盤任務(wù)除負(fù)責(zé)接收 用戶輸入并做出反饋外，還需要完成操作系統(tǒng)和系統(tǒng)資源的初始化，包括系統(tǒng)中用 到的消息隊列、郵箱和互斥信號量的創(chuàng)建等。因為按鍵任務(wù)是第一個啟動的用戶任 務(wù)，所以目標(biāo)板的初始化也由該任務(wù)完成。8.2.2 實例任務(wù)設(shè)計與優(yōu)先分配完成系統(tǒng)任務(wù)劃分后，需要對任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)定。任務(wù)優(yōu)先級分配是否 合理，直接影響到系統(tǒng)的實時性和可靠性。對任務(wù)優(yōu)先級的安排一般遵循以下原 則：外設(shè)相關(guān)任務(wù)安排高優(yōu)先級：因為外設(shè)任務(wù)直接與中斷服務(wù)程序相對應(yīng)，如 果外設(shè)任務(wù)優(yōu)先級低，當(dāng)需要中斷處理時，系統(tǒng)資源可能被高優(yōu)先級任務(wù)占用，而 導(dǎo)致中

6、斷丟失；根據(jù)任務(wù)實現(xiàn)功能的重要性安排優(yōu)先級：一般情況下，任務(wù)越重要優(yōu)先級越 高；占用關(guān)鍵資源的任務(wù)優(yōu)先級盡量高：只有保證占用關(guān)鍵資源的任務(wù)優(yōu)先運 行，才能使其盡早釋放資源，以便其它任務(wù)運行；對于周期性任務(wù)，執(zhí)行周期越短的任務(wù)，優(yōu)先級應(yīng)越高，以保證其得到及時 運行；當(dāng)以上條件相近時，耗時越短的任務(wù)優(yōu)先級應(yīng)越高。這樣可以縮短其它就緒 任務(wù)的延時時間。根據(jù)以上優(yōu)先級安排原則，系統(tǒng)中存在的 個采樣任務(wù)實現(xiàn)同樣功能且均為 一次性任務(wù)。所以，4 個任務(wù)的優(yōu)先級應(yīng)一致。但在 操作系統(tǒng)中，同一 優(yōu)先級不允許存在多個任務(wù)，所以將 4 個采樣任務(wù)的優(yōu)先級依次排列，因為它們不 可能同時發(fā)生，則對于應(yīng)用來說，4 個任

7、務(wù)的優(yōu)先級是一致的。鍵盤任務(wù)是系統(tǒng)運行的第一個任務(wù)，負(fù)責(zé)與用戶交互。根據(jù)優(yōu)先級安排原 則，將其優(yōu)先級定為 7 個任務(wù)中的中等級別，設(shè)為 。顯示任務(wù)負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)顯示在 LED 屏上，它由采樣任務(wù)觸發(fā)。根據(jù)優(yōu)先 級安排原則，將其優(yōu)先級定為 7 個任務(wù)中的最低優(yōu)先級，設(shè)為 。系統(tǒng)中任務(wù)的優(yōu)先級安排如下程序清單所示，void Task_FastSamp(void *pdata); /使用高優(yōu)先級中斷的采樣，優(yōu)先級 5void Task_HookSamp(void *pdata); /使用鉤子函數(shù)的采樣任務(wù)，優(yōu)先級 6void Task_TimerSamp(void *pdata); /使用定時中斷

8、的采用任務(wù)，優(yōu)先 級 7void Task_DelaySamp(void *pdata); /使用延時函數(shù)的采用任務(wù)，優(yōu)先 級 8void Task_Send(void *pdata); /串口發(fā)送任務(wù)，優(yōu)先級 13void Task_Key (void *pdata); /鍵盤任務(wù)，優(yōu)先級 15void Task_Disply(void *pdata); /顯示任務(wù)，優(yōu)先級 17程序運行過程中，當(dāng)系統(tǒng)檢測到鍵盤輸入后，根據(jù)采樣周期的設(shè)定值而創(chuàng)建 一個采樣任務(wù)和串口發(fā)送任務(wù) Task_Send（） 個采樣任務(wù) Task_FastSamp （），Task_HookSamp（），Task_Time

9、rSamp），Task_DelaySamp（）和串口發(fā) 送任務(wù) Task_Send（）均為一次性任務(wù)，且在任務(wù)完成后自動刪除。 （）為消息隊列驅(qū)動的任務(wù)，根據(jù)消息隊列傳送的內(nèi)容進(jìn)行不同的顯示操作。 Task_Key（）是周期性執(zhí)行的任務(wù)，不斷檢測鍵盤輸入，并根據(jù)檢測結(jié)果，做出不 同的響應(yīng)。鍵盤任務(wù)是系統(tǒng)運行的第一個任務(wù)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和其它任務(wù)的創(chuàng)建。該 任務(wù)運行后，接收用戶輸入并根據(jù)接收到的輸入值啟動不同的采樣任務(wù)。同時，將 接收到的輸入值通過消息隊列的形式發(fā)送到顯示任務(wù)。顯示任務(wù)負(fù)責(zé)顯示用戶輸入的參數(shù)值和采樣任務(wù)采樣得到的數(shù)據(jù)。串口發(fā)送任務(wù)在鍵盤任務(wù)檢測到發(fā)送操作按鍵確定時創(chuàng)建。該任務(wù)負(fù)責(zé)

10、從全 局采樣數(shù)組中讀取數(shù)據(jù)并使用中斷方式發(fā)送到上位機(jī)。全局采樣數(shù)組是系統(tǒng)初始化 時建立的 FIFO 緩存，通過互斥信號量保護(hù)。4 個采樣任務(wù)均在鍵盤接收到用戶輸入后創(chuàng)建，不同的采樣任務(wù)使用不同的 采樣方式進(jìn)行采樣，并將采樣所得數(shù)據(jù)保存在全局 緩存中。所有采樣任務(wù)在 采樣過程中的工作就是檢測什么時候采樣結(jié)束，并且負(fù)責(zé)將采樣所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理。處理完畢后，發(fā)送消息通知顯示任務(wù)，最后刪除自己本身。8.3 任務(wù)實詳解開始程序設(shè)計之前，首先了解一下主函數(shù)。在主函數(shù)中，進(jìn)行了操作系統(tǒng)的 初始化，創(chuàng)建了一個鍵盤任務(wù)，然后，啟動多任務(wù)操作系統(tǒng)。主程序代碼如下：int main(void)#if (OS_TA

11、SK_NAME_SIZE = 16)INT8U err;#endifBsp_Init(); /系統(tǒng)外設(shè)初始化PWM_IoConfiguration(); /初始化系統(tǒng)時鐘OSInit(); /* 初始化 OS */Tmr_TickInit(); / 操作系統(tǒng) Tick 初始化OSTaskCreateExt(Task_Key, /任務(wù)指針(void *)0,(OS_STK *)&InitTaskStkOS_INIT_TASK_STACK_SIZE - 1,OS_TASK_KEY_PRIO, /任務(wù)優(yōu)先級OS_TASK_KEY_PRIO,(OS_STK *)&InitTaskStk0,OS_INI

12、T_TASK_STACK_SIZE,(void *)0,OS_TASK_OPT_STK_CHK | OS_TASK_OPT_STK_CLR);#if (OS_TASK_NAME_SIZE = 16)OSTaskNameSet(OS_TASK_IDLE_PRIO, (INT8U *)Idle task, &err);OSTaskNameSet(OS_TASK_INIT_PRIO, (INT8U *)Init task, &err);#endifOSStart(); /* 啟動多任務(wù)環(huán)境 */return(0);從程序中可以看到，當(dāng)執(zhí)行 OSStart()后，主函數(shù)返回，但了解了 操作系統(tǒng)后，可以

13、知道這個“return 0”的語句是不可能執(zhí)行的。在主函數(shù)中創(chuàng)建了一個鍵盤任務(wù) Task_Key（），其優(yōu)先級為 ，負(fù)責(zé)初始化目標(biāo)板和根據(jù)用戶輸 入創(chuàng)建其他任務(wù)。8.3.1 鍵盤任務(wù)鍵盤任務(wù)的主要工作就是周期性掃描鍵盤，優(yōu)先級為 。其程序流程圖如圖 8.1 所示。圖 8.1 鍵盤任務(wù)程序流程圖程序中，首先進(jìn)行目標(biāo)板初始化，目標(biāo)板初始化過程請參見 處 理器內(nèi)部資源 C 編程與實例一章講解。之所以將目標(biāo)的初始化放在第一個任務(wù) 里，是為了保證該初始化在 OSStart()執(zhí)行后完成。值得注意的是，與采樣任務(wù)相 關(guān)的 A/D 轉(zhuǎn)換初始化也放在了這里，這是因為 個采樣任務(wù)都用到了 A/D 轉(zhuǎn)換，放 在鍵

14、盤任務(wù)中一次完成，避免了在每個采樣任務(wù)中單獨初始化而帶來的代碼冗余。接下來創(chuàng)建顯示任務(wù) Task_Disp（），屏幕初始化工作放在 該任務(wù)中完成。最后創(chuàng)建了任務(wù)輪轉(zhuǎn)不可或缺的一些操作系統(tǒng)資源，包括一個互斥信號量 Sem，一個郵箱 MyMbox 和一個消息隊列 ReMsgQeue其中消息隊列中消息數(shù)目定義 為 10。按鍵處理是這個鍵盤任務(wù)的關(guān)鍵，這個鍵盤任務(wù)中狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況如表 所 示。表 8.1 鍵盤狀態(tài)轉(zhuǎn)移表初始狀態(tài)操作鍵動作“確定”鍵 flag 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入周期修改狀態(tài)或退出修改狀態(tài)“數(shù)字”鍵 狀態(tài) 1：狀態(tài)選定 “清零”鍵“移動”鍵如果為數(shù)字鍵并且 flag=1，則設(shè)定數(shù)字有效并顯 示；否則不響應(yīng)如果 flag=1，則將保存的設(shè)定值清零并顯示，否 則不響應(yīng)如果 flag=0，則進(jìn)入啟動選定狀態(tài)并顯示，否則 不響應(yīng)如果 clflagp=1，則清零 clflagp。狀態(tài) 2：啟動采 樣“確定”鍵如果采樣周期為 20ms，則創(chuàng)建鉤子函數(shù)采樣任務(wù)如果采樣周期為 20ms 的整倍數(shù)，但不為 ，則 創(chuàng)建延時函數(shù)采樣任務(wù)。狀態(tài) 3：清屏操 作狀態(tài) 4：發(fā)送命 令狀態(tài)“移動”鍵“確定”鍵“移動”鍵“確定”鍵“移動”鍵進(jìn)入顯示選定狀態(tài)清除上一次顯示的采樣數(shù)據(jù)創(chuàng)建發(fā)送任務(wù)，將采樣所得數(shù)據(jù)送上位機(jī)創(chuàng)建發(fā)生任務(wù)，將采樣所得的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī) 進(jìn)入周期選定狀態(tài)“確定”鍵 flag