一種基于Cortex-M3的任務(wù)核心機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心，采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）可以更合理、更有效地利用CPU資源，簡(jiǎn)化應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。該文基于Cortex-M3芯片內(nèi)核，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)RTOS的任務(wù)核心機(jī)制，包括任務(wù)切換、任務(wù)時(shí)間片切換、任務(wù)延時(shí)接口實(shí)現(xiàn)、臨界區(qū)保護(hù)、多優(yōu)先級(jí)任務(wù)等功能，從而高效率實(shí)現(xiàn)了基于RTOS任務(wù)管理，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：Cortex-M3：RTOS;任務(wù)機(jī)制;切換;多優(yōu)先級(jí)

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）33-0074-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 背景

在后PC時(shí)代，嵌入式的發(fā)展逐漸取代PC成為時(shí)代主流，嵌入式實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛[1]。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)[2]為基礎(chǔ)，軟硬可裁剪[3]，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性[4]、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求，當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠接受并以足夠快的速度予以處理[5]。其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)[6]，調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)。

RTOS系統(tǒng)如果要有更好的事件實(shí)時(shí)處理機(jī)制，需要對(duì)任務(wù)機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓其對(duì)任務(wù)進(jìn)行較好的管理，設(shè)計(jì)任務(wù)的切換，任務(wù)時(shí)間片設(shè)計(jì)、任務(wù)延時(shí)接口處理、臨界區(qū)及調(diào)度鎖的保護(hù)、多優(yōu)先級(jí)任務(wù)等。

2 Cortex-M3芯片內(nèi)核

Cortex-M3是ARM公司開發(fā)的CPU內(nèi)核。Cortex-M3是一個(gè)32位處理器內(nèi)核，內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位，寄存器是32位，存儲(chǔ)器接口是32位。Cortex-M3采用哈佛架構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，取指與數(shù)據(jù)訪問可以同時(shí)進(jìn)行。

Cortex-M3支持小端模式、大端模式。Cortex-M3內(nèi)核通過接口總線的形式掛載了儲(chǔ)存器、外設(shè)、中斷等組成一個(gè)MCU，如圖1所示：

Cortex-M3預(yù)先定義了“粗線條的”存儲(chǔ)器映射。通過把片上外設(shè)的寄存器映射到外設(shè)區(qū)，就可以簡(jiǎn)單地以訪問內(nèi)存的方式來訪問這些外設(shè)的寄存器，從而控制外設(shè)的工作。各個(gè)分區(qū)存儲(chǔ)器映射如圖2所示：

3 任務(wù)核心機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1任務(wù)切換

任務(wù)切換又叫上下文切換，當(dāng)操作系統(tǒng)需要運(yùn)行其他任務(wù)時(shí)，操作系統(tǒng)首先會(huì)保存和當(dāng)前任務(wù)相關(guān)的寄存器的內(nèi)容到當(dāng)前任務(wù)的棧中，然后從將要加載的任務(wù)的棧中取出之前保存的全部寄存器的內(nèi)容并加載到相關(guān)的寄存器中，從而繼續(xù)運(yùn)行被加載的任務(wù)[7]。

構(gòu)建一個(gè)最小的兩個(gè)任務(wù)切換運(yùn)行的小系統(tǒng)，目的是理解RTOS任務(wù)切換的核心原理[8]。有兩個(gè)任務(wù)，分別執(zhí)行taskIEn-try和task2Entry。功能是分別對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行周期性置0置1，每次完成從1->0的切換后，自動(dòng)切換至另一個(gè)任務(wù)中運(yùn)行。這樣便實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)任務(wù)交替性地使用一段時(shí)間CPU，對(duì)相應(yīng)變量值修改。仿真結(jié)果如圖3所示：

3.2 任務(wù)時(shí)間片的實(shí)現(xiàn)

構(gòu)建一個(gè)最小的基于時(shí)間片切換的任務(wù)系統(tǒng)，目的是理解RTOS時(shí)間片切換的核心原理。在上個(gè)任務(wù)切換實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上中，改用SysTick定時(shí)器來使taskl和task2均等的占用CPU，即配置其多久切換一次。配置SysTick定時(shí)器：

void tSetSysTickPeriod（uint32_t ms）

（

SysTick->LOAD= ms*SystemCoreClock/1000 -1;

NVIC_SetPriority

（SysTick_IRQn，

（1《_NVIU1RIO_BITS） -1）;

SysTick->VAL=0;

SysTick->CTRL= SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk l

SysTick_CTRL_TICKINT_Msk f

SYsTick_CTRL_ENABLE_Msk;

}

3.3臨界區(qū)和保護(hù)鎖的保護(hù)

3.3.1臨界區(qū)的保護(hù)

使用關(guān)中斷保護(hù)臨界區(qū)，由于共享資源的訪問存在于任務(wù)與任務(wù)，任務(wù)與中斷ISR之間，那么只需要防止任務(wù)在訪問共享資源時(shí)切換到其它任務(wù)或防止中斷發(fā)生。

uint32_t tTaskEnterCritical （void）//進(jìn)入臨界區(qū) 返回進(jìn)入之前的臨界區(qū)狀態(tài)值

{

uint32_t primask= _get_PRIMASKO;

_disable_irq0;

//CPSID I

return primask;

）

//退出臨界區(qū)，恢復(fù)之前的臨界區(qū)狀態(tài)status進(jìn)入臨界區(qū)之前的CPU返回進(jìn)入臨界區(qū)之前的臨界區(qū)狀態(tài)值

void tTaskExitCritical （uint32_t status）{

一set_PRIMASK（status）;

）

3.3.2 調(diào)度鎖保護(hù)

調(diào)度鎖保護(hù)能在多個(gè)任務(wù)共享資源時(shí)進(jìn)行保護(hù)，其工作原理是上鎖時(shí)，禁止任務(wù)切換。無論何種情況，即使時(shí)間片用完了，仍運(yùn)行原任務(wù)，直至解鎖時(shí)，才允許任務(wù)切換。

1）初始化調(diào)度鎖計(jì)數(shù)器：

schedLockCount=0：

2）禁止任務(wù)調(diào)度（調(diào)度器上鎖）：

uint32_t status= tTaskEnterCritical0;

if （schedLockCount< 255）

schedLockCount++;

tTaskExitCritical（status）;

3）允許任務(wù)調(diào)度（調(diào)度器解鎖）：

uint32_t status= tTaskEnterCritical0;

if （schedLockCount>01

if （--schedLockCount==01

‘TaskSched0;

tTaskExitCritical（status）;

3.4 多優(yōu)先級(jí)任務(wù)

任務(wù)數(shù)量無限，而資源有限。當(dāng)多個(gè)任務(wù)在等待同一資源或事件時(shí)，如果資源或事件不能在任務(wù)間共享，應(yīng)該由哪個(gè)任務(wù)來處理？根據(jù)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，為任務(wù)指定優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)，具備對(duì)CPU、事件和資源的優(yōu)先處理權(quán)和占有權(quán)。

RTOS維護(hù)一個(gè)就緒表，指明哪些優(yōu)先級(jí)的任務(wù)等待占用CPU運(yùn)行，每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)，對(duì)應(yīng)一種優(yōu)先級(jí)。為了便于快速找到優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)，使用了就緒位圖，如圖4所示：

3.5 任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

為使系統(tǒng)完整，加入任務(wù)掛起與喚醒、任務(wù)刪除和任務(wù)狀態(tài)查詢等接口實(shí)現(xiàn)。未創(chuàng)建：只定義了任務(wù)代碼，未調(diào)用tTas-klnit0初始化。就緒：任務(wù)已經(jīng)創(chuàng)建，且等待機(jī)會(huì)占用CPU運(yùn)行。運(yùn)行：任務(wù)正在占用CPU運(yùn)行代碼。延時(shí)：任務(wù)調(diào)用了tTaskDelay0延時(shí)。掛起：暫停任務(wù)運(yùn)行。

進(jìn)入臨界區(qū)：

uint32_t status= tTaskEnterCritical0;

不允許對(duì)已經(jīng)進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)的任務(wù)掛起：iff！ （task->state&TINYOS_TASK—STATE_DELAYED）

增加掛起計(jì)數(shù)，僅當(dāng)該任務(wù)被執(zhí)行第一次掛起操作時(shí)，才考慮是否要執(zhí)行任務(wù)切換操作：

if （++task->suspendCount<=1）

task->state l= TINYOS_TASK—STATE_SUSPEND;

tTaskSchedUnRdy（task）;

if （task==currentTask）

tTaskSched0;

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的解決方案和實(shí)施過程成功開發(fā)了一個(gè)小型的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，解決了RTOS任務(wù)核心機(jī)制。經(jīng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)管理的高可用性。

RTOS系統(tǒng)具有更好的事件實(shí)時(shí)處理機(jī)制，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，或有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)需要運(yùn)行時(shí)，均能快速切換過去，做更重要更緊急的事情，解決了前后臺(tái)實(shí)時(shí)性不能保證的缺點(diǎn);有通用的任務(wù)管理框架，開發(fā)不同項(xiàng)目時(shí)可重復(fù)利用，簡(jiǎn)化了開發(fā)難度，更加接近于人處理問題的思考方式，解決了前后臺(tái)系統(tǒng)強(qiáng)迫人按照機(jī)器的工作順序方式思考編碼的缺陷。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

作者簡(jiǎn)介：方敏（1981-），女，四川眉山人，講師，碩士，研究方向?yàn)檐浖こ獭?/p>