嵌入式系统通用的应用软件结构研究

摘要：嵌入式实时多任务操作系统在软件编程上有一定的相似性。这种相似的特性，使得我们可以将个别系统的编程经验推广到更多的系统上。本文就μC/OS-II内核的任务管理和内存管理进行基本的介绍，并介绍一个通用的应用软件结构。然后，与之相对应，提供两个不同操作系统下的应用实例。 关键词：嵌入式系统 多任务 编程 引言 嵌入式系统的面向应用特性，使得大多数程序员沉陷于不同的应用中。在进入新的一轮开发后，往往只有一些简单的经验可供参考。为了加快应用的开发进度，有必要研究一种统一的应用软件结构，使开发人员能够通过简单模式套用，简化大量系统研究方面的工作，以加快嵌入式开发人员对新系统的理解和使用。 操作系统μC/OS-II和ECOS（Embedded Configurable OS）是我在研发过程中使用过的两个系统。这两个源码公开的系统是我们研究的基础。开发平台依次是PC机和EP7212开发板。 1 μC/OS-II内核 对于一个嵌入式系统内核，我们最关心的是：任务调度、内存管理及时间特性等。这里，只介绍与多任务编程联系最多的任务调度和内存管理。 1.1 任务调度 任务的状态有休眠、就绪及运行几种。任务调度就是遵循一定的原则，使多个任务共同使用同一处理机的过程。这一过程主要是通过对任务控制块（TCB）的管理来实现的。 当一个任务建立时，μC/OS-II系统为其所对应的OS_TCB赋值；当任务的CPU使用权被剥夺时，系统用OS_TCB来保存该任务的状态；当任务重新得到CPU使用权时，系统就可通过任务控制埠来使任务从被中断处继续执行下去。 在μC/OS-II中，TCB内包含如下基本项： *OSTCBStkPtr是一个指向当前任务栈顶的指针，通过允许每个任务拥有自己的栈来减小系统的内存开销； *OSTCBNextOSTCBPrev用于任务控制块的双重链接； *OSTCBDly用于任务延时或超时限制； *OSTCBStat任务的状态字，0表示就绪态； *OSTCBPrio任务的优先级，值越小，优先级越高。 在μC/OS-II中，还有两个与任务调度相关的结构就绪表和估级判定表。就绪表中有两个变量用来存放每个任务的就绪标志。通过分组与优先级表中的项实现一一对应，进而确定进入就绪态的优先级最高的任务。 任务调度算法原型： *关中断； *取优先级最高的就绪任务； *若不是当前任务，则进行任务切换； *开中断。 任务切换中两步完成：将被挂起的任务的微处理器寄存器堆入栈，然后，将较高优先级的任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器中。 1.2 内存管理 在嵌入式系统中，为了更高效地使用内存，除了常规的malloc()和free（）外，通常提供不同的内存组织形式，以满足特殊应用的需求。ΜC/OS-II中，操作系统把连续的大块内存按分区来管理，每个分区中包含整数大小相同的内存块。利用这种机制，μC/OS-II对malloc()和free（）进行改造，使得它们可分配和释放固定大小的内存块，并且使这两个函数的执行时间也固定下来。 为了使用户能得到需大小的内存块，在一个系统中可以多个内存分区，应用程序可以从不同的内存分区中取得不同大小的内存块。唯一要注意的是，不同的内存块在释放时必须重新放回它以前所属的内存分区。采用上述的内存管理算法，解决了内存碎片的问题。 为了跟踪每一个内存分区，μC/OS-II使用了内存控制块的数据结构，主要有： OSMemAddr—指向内存分区起始地址的指针； OSMemFreeList—指向下一个空闲控制块或下一个空闲内存块的指针； OSMemBlkSize—内存分区中内存块的大小，是用户建立该内存分区时指定的； OSMemB1ks—内存分区中总的内存块数量，是用户建立该内存分区时指定的； OSMemNFree—内存分区中当前可以得到的空闲内存块数量。 在μC/OS-II中，也可以使用常规的malloc（）和free（）内存管理函数来增强其可移植性，但在使用更严格的场合，应使用系统提供的特殊的内存管理。 2 应用软件 2.1 应用软件原型 对于8051单片机系统的编程，最基本的架构是一个无限循环，应用的所有事情基本上都是在这个超循环中实现的。在这种系统中，系统上只有一个任务在运行，应用就是整个系统，而整个系统就是一个应用。 与这种简单系统相似，超循环结构在复杂的实时操作系统μC/OS-II中也是一个基本结构；但不再是系统级的，而只是任务级的。图1为超循环的结构示意。 在一个应用中，至少有一个这样的任务，它包含这样一个超循环，以使其拥有与应用相同的生存期，并由它完成应用的全部或部分功能。图2为应用软件结构框图。 2.2 基本应用软件结构 应用软件结构存在不同性，是由应用本身决定的；但作为基本结构，则是相似甚至是相同的。因为对于不同的系统，所调用的函数是不同的。下面给出基本应用软件结构的文字描述。 ①声明系统的包含文件。 ②声明全局数据：任务数、任务的栈空间等。 ③主函数： *系统初始化； *创建主任务； *启动多任务执行。 ④主任务： *主任务初始化； *若必要，可创立多个子任务； *进入超循环或退出主任务。 ⑤子任务： *子任务初始化； *进入超循环或退出子任务。 2.3 应用软件实例 （1）样例1 为了简要说明软件结构思想，我们在PC平台、Windows 98系统下，采用了Borland公司的C++命令行编译环境，说明我们的第一应用。 其中文件的主要功能，就是显示一个HelloμC/OS-II embedded world！字符串。由于其是在μC/OS-II下实现的，与原理有相通性，这里就不再更多介绍了。 （2）样例2 使用Cirrus Logic公司的开发板EP7212，运行的操作系统是RedHat公司的ECOS。本应用的主要功能是，把从串口2接收到的数据再发送回去，并且在初始化时加发一个“Hello eCos World！”字符串。 ECOS是一个比μC/OS-II更复杂的系统，其支持的软件结构更丰富，但其对我们所抽象的软件结构依然支持得很好；只是在我们应用的主函数中，已更好地将系统的初始化部分隐藏了起来。