事件驱动的实时嵌入式系统的设计和实现
发布时间：2015-07-11 10:01
摘 要 嵌入式实时操作系统具有嵌入式软件共有的可裁剪、低功耗等特点；而实时操作系统，可以满足系统对实时性的要求。但嵌入式实时系统需要增加额外的系统开销，随着系统功能的增加，逐渐增加的开销将不容忽视。对于某些功能简单的嵌入式系统，本文提出了一种实时嵌入式系统的设计方法，采用简单的方法和代码来建立一个快速、有效地系统。该嵌入式软件系统主要包括主控循环系统、事件驱动任务、周期循环任务及软件计数器。在冰箱嵌入式系统中进行了具体实现，满足实时性的同时降低了对系统资源的占用率。
关键字 主控循环；事件驱动任务；周期任务；软件计时器
1 引言
嵌入式实时系统中采用的操作系统，我们称为嵌入式实时操作系统，它既是嵌入式操作系统，又是实时操作系统。作为一种嵌入式操作系统，它具有嵌入式软件共有的可裁剪、低功耗等特点；而作为一种实时操作系统，可以满足系统对实时性的要求[1]。
但是，使用嵌入式实时操作系统还需要额外的ROM/RAM开销，2%~5%的CPU额外负荷以及内核的费用；同时如果任务之间抢占CPU控制权处理不好，会产生系统崩溃、死机等严重后果；而且随着对嵌入式实时操作系统需求的增长，将越来越多的功能添加到系统中，使其变得越来越臃肿。对许多小型或中等嵌入式设备，尤其是对成本敏感的小型设备，使用嵌入式实时操作系统会大大增加设备的成本，因而在本文中提出一种实时嵌入式软件系统的设计方法。本文的设计思想主要包括主控循环系统、事件驱动任务、周期循环任务及软件计时器四部分。
2 系统设计
2.1 主控制循环
该系统将软件分成独立的任务模块，支持事件驱动任务，将事件驱动任务输入到事件队列，当接收到恰当地触发事件时，才开始执行。否则，使其空闲，只占用极少地处理时间；以预置地速度执行周期任务（即不需要触发就可执行地任务）。根据需要，执行速度有准确计时和相对计时（与每次主控循环的执行速度相关联）两种方式。
该系统是非抢占式系统（其他的任务不会无法中断正在运行的任务），不需要使用信号量来保护数据。只有当任务条目函数返回数值时，才会中断所有任务。例如，一个有键盘、LCD、RS-232端口、多个I/O和串行打印机的嵌入式系统。I/O状态的每次改变将导致发送一条RS-232信息、打印输出和LCD更新。RS-232信息的接收将导致打印输出、LCD更新和输出状态更新。
程序1 主控循环
int main(void)
{
Init_All()；
for (；；)
{
IO_Scan()；
IO_ProcessOutputs()；
KBD_Scan()；
PRN_Print()；
LCD_Update()；
RS232_Receive()；
RS232_Send()；
TMR_Process()；
}
// 此处可以添加异常处理代码
return (0)；
}
在程序1中，无穷循环中的每个函数调用代表一个独立的任务，无论执行哪个函数，每个任务必须在合理的时间内返回。
该系统的主要工作是事件驱动任务。每个任务都有一个输入事件队列。例如，IO_ProcessOutputs是事件驱动任务，负责控制输出状态，当输出没有状态改变时，该任务处于空闲状态。需要启动输出时，则给该任务发送一条事件消息。在该系统中，有三个任务会向IO_ProcessOutputs发送事件消息：
● 输入扫描器(IO_Scan)任务，当输入状态改变导致输出状态的改变；
● RS-232接收任务，当接收到RS-232消息，需要开启或关闭输出；
● 按键扫描器任务(KBD_Scan)，当完成一个条目时，需要开启或关闭输出。
其它的任务是周期任务，无需触发器即可运行。
有些需要运行地快一些，有些需要慢一点。例如，扫描输入需要比LCD的刷新快。为此需要提供一些任务间通讯的简单方法。当输入状态发生急剧地变化时，RS-232无法发送所有的消息。为此，应该降低从RS-232传送的I/O扫描器任务。这可以使用稳定的执行计数器技术来实现。
除上述功能外，还需要另一外些重要功能。如使LCD上的光标按固定的频率刷新。这些功能由TMR_Process间接调用，而不是由主控循环调用。TMR_Process是主控循环中唯一一个非用户定义任务。
程序2 事件输入结构
typedef unsigned int word；
typedef struct
{
word InPtr； /*缓冲区头 */
word OutPtr； /* 缓冲区尾 */
word Count； /* 计数变量*/
EVENT_TYPE Store[BUFFER_SIZE]； /* 数据存储空间*/
} INPUT_EVENT_QUEUE_TYPE；
2.2 事件驱动任务
每个事件驱动任务都有一个输入队列作为循环缓冲区。提供两个功能：PutEvent 和GetEvent。PutEvent将事件插入队列中，GetEvent从队列中取出事件。其中，任务独占GetEvent，其他任务无法调用。参见程序2。
对每个任务而言，EVENT_TYPE结构是唯一的。换句话说，任务本身决定其期望接收的事件格式。例如，在IO_ProcessRequests任务中，需要包括输出数量及其新状态。在打印任务中，只需要使PRN_EVENT_TYPE足够大以存储一字串。因为每个任务的EVENT_TYPE不尽相同，用户需要根据INPUT_EVENT_QUEUE_TYPE为每个事件驱动任务定义不同的结构。而且，每个任务都有自己的GetEvent、PutEvent和初始化函数。
循环缓冲区允许异步读、写缓冲区，并将其存储到BUFFER_SIZE目录中。任何任务（包括任务本身）都可以将EVENT_TYPE事件插入到输入循环缓冲区当中。所有任务需要创建OUTPUT_EVENT_TYPE事件并调用OUTPUT_ PutEvent，如程序3所示。
程序3 创建OUTPUT_EVENT_TYPE事件
// 在 RS232 模块中
OUTPUT_EVENT_TYPE OutputEvent；
te = 1； // 新状态 - on
= 1； // 开启输出
OUTPUT_PutEvent(&OutputEvent)； // 输入一个事件
程序4 发送事件到任务
// 从主控制循环中调用事件
void IO_ProcessOutputs(void)
{
word ret；
OUTPUT_EVENT_TYPE OutputEvent；
// 此处通常为执行计数处理
// ..
// 执行计数处理结束
if ((ret = OUTPUT_GetEvent(&OutputEvent) != EMPTY)
{
//缓冲区非空
// 处理 OutputEvent，开启/关闭所需输出
IO_OutputStateChange(，te)
}
}
用户只需执行输出控制任务，其它的工作由OUTPUT_ PutEvent函数来完成。如程序5所示。
2.3 周期任务
该系统可以从主控循环中调用任一函数，但必须注意两个问题：不能频繁地调用任务；不能长时间地延后其它任务的运行。
程序5 计数器执行处理
void LCD_Process(void)
{
#ifdef EXACT_TIMING
disable()； //暂时禁止中断
#endif
if (LCD_ExecCounter == TASK_DISABLED)
{
#ifdef EXACT_TIMING
enable()；
#endif
return；
}
#ifdef EXACT_TIMING
// 处理此处可能存在的对中断例程的抢占…….
return；
}
//运行自己定义的任务并重新载入执行计数…
}
interrupt void TIMER_IRQ_10ms(void)
{
// 其他任务
}
对第一个问题，有一种机制可延缓任务的执行。分为两种情况：准确计时和相对计时。为此需要两个参数：执行计数器及重新加载数值。执行计数器从重新加载数值递减。当计数器为0时，调用任务，否则退出任务的记录函数。参见程序4。
在准确计时系统中，应避免定时中断抢占任务。在多数情况下，这不是问题，因为16位或32位的读和写是原子操作。最简单的解决方法是当程序处理执行计数器时，在某一段时间内中止所有的中断。参见程序4。
其中需要说明地是：
(1) 在准确计时系统中，执行计数器以固定的频率递减；在相对计时系统中，任务自己递减计数器。在准确频率系统中，可以确定任务执行的频率。将LCD_TASK_FREQUENCY设为100，使用10ms中断，可以确定该任务的执行频率为：在LCD任务执行计数器递减为0之前，每秒钟加上在该任务之前的其它任务的执行时间。
(2) 将TASK_DISABLED尽可能的定义为最大的无符号整数。将执行计数器设为TASK_DISABLED以中止该任务，直至有进一步的需求。可以在其它任务中实现这种操作。例如，重要事件可以中止打印进程，直至有进一步的通知（任务间通讯的简单形式）。
(3) 在准确计时系统中，10ms中断处理了大量的工作。但是对其中的一小部分任务，处理器无法进行比较，因此将该中断设为较低的优先权或允许其它中断抢占。目前的问题在于是否需要引入一些更简洁的机制（如德耳塔队列－delta queue）以防止在一次中断中有太多的计数器递减。但由于该系统的任务数量不超过30个，因而不需要德尔塔队列。
2.4 软件计时器
软件计时器使该系统具有了真正的多任务性。有几百个事件需要在固定的时间内激活一次或周期型激活。大多数这样的事件需要准确计时，使得10ms的中断非常困难。主控循环将变得冗长和繁杂。因此需要一个简洁的解决方法。
程序5 软件计时器模块的应用接口
word TMR_InstallTimeoutHandler(word timer_handle，
void (*timeout_func)(word，dword))
word TMR_Start (word timer_handle，word timeout，dword parameter)；
word TMR_Stop (word timer_handle)；
程序5中的软件计时器模块为应用任务提供了三个基本函数。用户为每个计时器定义的间歇时间函数，必须在TMR_Start和TMR_Stop函数调用之前装入。通过调用TMR_InstallTimeoutHandler函数来完成。随后可以使用TMR_Start和TMR_Stop函数来启动或停止计时器。
在该系统中，10ms中断是终止计时器循环缓冲区的唯一计时器。由于在给定的时间内有几百个软件计时器在运行。因此应以更加合理地方式运行该部分。在每个10ms中断，递减几百个计时计数器是无法接受的。使用德尔塔队列可以解决这一问题。根据间歇时间值，将计时器插入德尔塔队列，只递减将要终止的计时器。
3 结论与展望
本文提出了一种简单、快速的嵌入式系统，并在冰箱嵌入式软件设计中予以实现。使用主控循环进行任务控制和处理，系统设计了事件驱动任务和周期性任务类型，并利用软件计数器控制周期性任务的执行。经过试验，冰箱嵌入式系统占用的存储空间大大缩减，并且效率和稳定性都有所提高。该论文的思想可以快速地建立一个复杂度合理的管理系统，特别适用于对成本敏感的小型设备，可以使其具有便利灵活、性能价格比高的特点。
但本文的设计思想仅适用于功能较少、需处理任务数量较少的小型设备，对于功能复杂的嵌入式应用，如含网络等功能的嵌入式系统，还需采用通常的嵌入式实时操作系统。
参考文献
[1] 王鹏，尤晋元，朱鹏，敖青云译．操作系统：设计与实现．第二版．北京：电子工业出版社，2004
杨立峰．LINUX嵌入式实时操作系统开发与应用．重庆工学院，2002
r，a，ider．Engineering and analysis of fixed priority schedulers IEEE re．1993 (9)：920-934
Donald ．On Non-Preemptive Scheduling of Periodic and Sporadic Tasks. Proceedings of the Twelfth IEEE Real-Time Systems Symposium．1991 (10)129-139
Kevin Jeffay．Analysis of a Synchronization and Scheduling Discipline for Real-Time Tasks with Preemption Constraints．1989(5)：295-305
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