引言 在基于實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS，RealTime Operating System）的單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中，“任務(wù)”是一個很重要的概念。有專家指出，把一個應(yīng)用系統(tǒng)分為多少個任務(wù)且定義每一個任務(wù)各負(fù)責(zé)什么事情，這是一門藝術(shù)。對于任務(wù)的劃分，并沒有一個人人都要遵守的規(guī)則，不同的人來設(shè)計(jì)一個同樣規(guī)格要求的系統(tǒng)，會有不同的方案。然而，到目前為止，很難看到有關(guān)論文對任務(wù)劃分的方法有比較詳細(xì)而系統(tǒng)的介紹。本文將深入研究劃分任務(wù)的方法，并在此基礎(chǔ)上，從實(shí)用的角度給出編寫基于RTX51 Tiny實(shí)時操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的指導(dǎo)方針。 1 任務(wù)的概念和應(yīng)用軟件開發(fā)過程 在嵌入式實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)中，用C語言代碼表示的任務(wù)是一個無限的循環(huán)程序。任務(wù)不能有返回，不能有退出出口，但是任務(wù)可以被殺死，包括被別的任務(wù)殺死或自殺。任務(wù)的概念與操作系統(tǒng)中的進(jìn)程概念相同，一個任務(wù)是獨(dú)立的執(zhí)行進(jìn)程，可以與其他的并發(fā)任務(wù)競爭CPU時間。 基于RTOS的單片機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)過程：首先是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案明確應(yīng)用軟件的功能，然后結(jié)合RTOS的并發(fā)特性（或準(zhǔn)并發(fā)特性），對應(yīng)用軟件要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大小適當(dāng)?shù)膭澐?，也就是把?yīng)用軟件的功能按照一定的原則劃分為若干個任務(wù)模塊，并對各個任務(wù)間的通信和時延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。 2 任務(wù)劃分的原則 任務(wù)劃分有3個原則，分別介紹如下。 2.1 原則1 原則1是將同一個外設(shè)的訪問放在一個任務(wù)中。 對每個獨(dú)立的硬件（例如串行通信端口）進(jìn)行操作的驅(qū)動程序段放在一個任務(wù)中。也就是說，要想對某個設(shè)備資源進(jìn)行操作，只有依靠執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。這樣無論何時切換任務(wù)，都不會對任何獨(dú)立的“外設(shè)”造成影響。 這樣做能夠避免嵌入式操作系統(tǒng)的特殊問題——資源沖突和重入問題，而且利于系統(tǒng)維護(hù)與升級。各個任務(wù)之間要實(shí)現(xiàn)通信，可以調(diào)用os_send_signal函數(shù)及全局變量來實(shí)現(xiàn)。 所謂“資源沖突”，就是任務(wù)A在訪問某個資源時，恰好發(fā)生了任務(wù)切換——由任務(wù)A切換到任務(wù)B，任務(wù)B也訪問這個資源且改變了它的狀態(tài)，這樣當(dāng)再次執(zhí)行任務(wù)A時，就可能發(fā)生沖突或帶來不確定性。而所謂“重入”，是指假設(shè)任務(wù)A在運(yùn)行某個函數(shù)，發(fā)生任務(wù)切換后，任務(wù)B也運(yùn)行這個函數(shù)，這樣就會破壞任務(wù)A執(zhí)行這個函數(shù)時的現(xiàn)場，從而可能導(dǎo)致任務(wù)A執(zhí)行函數(shù)時結(jié)果不正確。這種問題尤其容易出現(xiàn)在串行接口器件的操作中，例如串口，串行的A/D、D/A器件等。 2.2 原則2 原則2是要通過任務(wù)分割提高系統(tǒng)的實(shí)時性。 在嵌入式多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)中，任務(wù)是指一個程序分段。這個程序分段被操作系統(tǒng)當(dāng)作一個基本單元來調(diào)度。典型地，每個任務(wù)都是一個無限的循環(huán)。 RTOS本質(zhì)上就是嵌入的實(shí)時內(nèi)核，它負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說是為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。實(shí)時內(nèi)核可分為可剝奪型和不可剝奪型兩類。因此，按照所使用內(nèi)核的不同，嵌入式實(shí)時系統(tǒng)也可分為兩類：使用不可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實(shí)時系統(tǒng)和使用可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實(shí)時系統(tǒng)。 2.2.1 長任務(wù)的定義 在RTOS中，長任務(wù)就是指整個任務(wù)的執(zhí)行時間較長，超出了RTOS中其他某一個或某幾個任務(wù)的實(shí)時要求容限，而對整個RTOS的實(shí)時性構(gòu)成威脅的那些任務(wù)。需要注意的是，長任務(wù)與復(fù)雜任務(wù)不能混淆，復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行時間不一定長，簡單任務(wù)也可能會構(gòu)成長任務(wù)。 2.2.2 長任務(wù)對RTOS的影響 當(dāng)使用可剝奪型實(shí)時內(nèi)核時，長任務(wù)由于執(zhí)行的時間較長，因而更容易被高優(yōu)先級的任務(wù)打斷；一旦高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒狀態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說任務(wù)被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。這樣會出現(xiàn)兩個問題：一是長任務(wù)可能在一次執(zhí)行的過程中被頻繁打斷，長時間得不到一次完整的執(zhí)行；二是長任務(wù)被打斷時，可能要保存大量的現(xiàn)場信息，其目的是為了保證在高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行完返回后，長任務(wù)能得以繼續(xù)執(zhí)行。然而，這樣做要占用一定的系統(tǒng)資源，同時保存現(xiàn)場本身也是要占用CPU時間的，因此，實(shí)時性也會下降。 當(dāng)使用不可剝奪型實(shí)時內(nèi)核時，長任務(wù)對RTOS的影響更為明顯，因?yàn)樵谶@種內(nèi)核中，任務(wù)的響應(yīng)時間取決于最長的任務(wù)執(zhí)行時間。也就是說，由于長任務(wù)的存在，任務(wù)的響應(yīng)時間要變長。其結(jié)果是CPU長時間停留在長任務(wù)中，其他任務(wù)得不到實(shí)時的響應(yīng)，甚至根本得不到執(zhí)行，系統(tǒng)的實(shí)時性勢必要下降。 總之，無論是使用可剝奪型內(nèi)核，還是使用不可剝奪型內(nèi)核，長任務(wù)都會對RTOS構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。 2.2.3 長任務(wù)問題的解決方法 解決長任務(wù)問題最有效的途徑是進(jìn)行任務(wù)分割。所謂“任務(wù)分割”是指將影響系統(tǒng)實(shí)時性的長任務(wù)分割成若干個小任務(wù)。這樣單個任務(wù)的執(zhí)行時間變短，系統(tǒng)的任務(wù)響應(yīng)時間變短，實(shí)時性得以提高。 （1） 對任務(wù)的分析與計(jì)算 當(dāng)然，長任務(wù)的分割必須結(jié)合系統(tǒng)中所使用的內(nèi)核，以及各任務(wù)對實(shí)時性的要求等情況，進(jìn)行必要的分析與計(jì)算，才能保證分割的合理性和有效性，具體的步驟如下。 ① 分析系統(tǒng)共有多少個任務(wù)，這些任務(wù)對實(shí)時性的要求有多高，求出各個任務(wù)所要求的最低執(zhí)行頻率（f1，f2，…，fn）。 ② 計(jì)算目前各任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時間（t1，t2，…，tn） ③ 確定系統(tǒng)中的長任務(wù)。如果max（t1，t2，…，tn）≤min（1/f1，1/f2，…，1/fn），則此系統(tǒng)中不存在長任務(wù)。如果max（t1，t2，…，tn）＞min（1/f1，1/f2，…，1/fn），則存在長任務(wù)，而且執(zhí)行時間為max（t1，t2，…，tn）的那個任務(wù)就是要找的長任務(wù)。 ④ 分析此長任務(wù)是否需要分割，分析一下是什么原因?qū)е聢?zhí)行的時間過長，這個時間是否能夠通過程序的優(yōu)化來縮短？如果能，則不需要進(jìn)行任務(wù)分割；否則，要對這個長任務(wù)進(jìn)行分割。 （2） 實(shí)施長任務(wù)分割 常用的任務(wù)分割的方法有以下兩種： ① 將長任務(wù)按功能分為若干個小模塊，每一個模塊構(gòu)成一個小任務(wù)，每個小任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種相對獨(dú)立的功能，且要保證執(zhí)行時間t3 基于RTX51 Tiny的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo) RTX51是一個德國Keil Software公司開發(fā)的用于8051系列單片機(jī)的多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)。RTX51有2個不同的版本。 （1） 完全版RTX51 Full 完全版RTX51 Full允許4個優(yōu)先級的任務(wù)時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和搶先式的任務(wù)切換，可以并行地利用中斷功能。信號和信息可以通過郵箱系統(tǒng)在任務(wù)之間互相傳遞，可以從一個存儲池中分配和釋放內(nèi)存，可以強(qiáng)迫一個任務(wù)等待中斷、超時以及從另一個任務(wù)或中斷發(fā)出的信號或信息。 （2） 小型版RTX51 Tiny 　　 小型版RTX51 Tiny是RTX51的一個子集，它可以很容易地在沒有任何外部存儲器的單片8051系統(tǒng)上運(yùn)行。RTX51 Tiny僅支持時間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)切換和使用信號進(jìn)行任務(wù)切換，不支持搶先式的任務(wù)切換，可以并行地利用中斷功能，可以強(qiáng)迫一個任務(wù)等待中斷、超時以及從另一個任務(wù)或中斷發(fā)出的信號，不能進(jìn)行信息處理，也不支持存儲器分配或釋放。RTX51 Tiny是一種不可剝奪型實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核。 基于RTX51 Tiny實(shí)時操作系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該根據(jù)RTX51 Tiny操作系統(tǒng)的準(zhǔn)并發(fā)特性，對應(yīng)用軟件要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大小適當(dāng)?shù)膭澐帧凑丈鲜?個原則劃分為若干個任務(wù)模塊，并對各個任務(wù)間的通信和時延進(jìn)行仔細(xì)的確認(rèn)。 編寫基于RTX51 Tiny的應(yīng)用軟件的指導(dǎo)方針如下： ① 包含頭文件rtx51tny.h在應(yīng)用程序中。 ② 不要寫C語言主函數(shù)main（）。RTX51 Tiny操作系統(tǒng)內(nèi)核中已經(jīng)有它自己的主函數(shù)main（）。 ③ 應(yīng)用程序應(yīng)該至少包括1個任務(wù)函數(shù)（task function）。 ④ RTX51 Tiny應(yīng)用程序必須中斷使能（EA=1），因?yàn)镽TX51 Tiny操作系統(tǒng)使用了定時器T0中斷。 ⑤ 應(yīng)用程序至少調(diào)用1個RTX51 Tiny系統(tǒng)函數(shù)（如os_wait）；否則，鏈接器將不會把RTX51 Tiny的系統(tǒng)庫包含到應(yīng)用程序中。 ⑥ 任務(wù)task0是應(yīng)用程序中第一個執(zhí)行的函數(shù)。在任務(wù)task 0中，必須調(diào)用os_create_task函數(shù)來運(yùn)行其他任務(wù)。 ⑦ 任務(wù)task函數(shù)不必退出或返回。任務(wù)task必須使用一個while（1）結(jié)構(gòu)或其他類似的結(jié)構(gòu)。任務(wù)task函數(shù)不帶參數(shù)，也沒有返回值。使用系統(tǒng)函數(shù)os_delete_task掛起（halt）一個運(yùn)行的任務(wù)。 ⑧ 中斷服務(wù)程序的編寫方式，與不使用RTX51 Tiny操作系統(tǒng)下的編寫方式相同。 ⑨ 編譯和鏈接應(yīng)用程序有2種途徑，一種是使用集成開發(fā)環(huán)境μVision 2 IDE，另一種是使用命令行工具CommandLine Tools。一般采用德國Keil Software公司提供的集成開發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE。 利用Keil Software公司提供的集成開發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE，創(chuàng)建RTX51 Tiny應(yīng)用程序的開始的步驟如下： ① 運(yùn)行Keil Software公司的集成開發(fā)環(huán)境 μVision 2 IDE。 ② 運(yùn)行菜單命令Project→Options for Target‘Target 1’，打開Target對話框，并在對話框中選擇Target選項(xiàng)卡。 ③ 從Operating system下拉列表框中選擇RTX51 Tiny，如圖1所示。

4 結(jié)論 本文給出了劃分任務(wù)的3個原則，分別是“對同一個外設(shè)的訪問放在一個任務(wù)中”、“通過任務(wù)分割提高系統(tǒng)的實(shí)時性”和“軟件工程中的‘解耦原則’用于任務(wù)的劃分”。實(shí)踐證明，這些任務(wù)劃分的原則是行之有效的。另外，從實(shí)用的角度給出了編寫基于RTX51 Tiny實(shí)時操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件的指導(dǎo)方針。實(shí)際上，RTX51 Tiny實(shí)時操作系統(tǒng)對目標(biāo)系統(tǒng)的硬件需求是很低的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，能夠運(yùn)行嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的單片機(jī)芯片是很容易采購得到的。 人們越來越清楚地認(rèn)識到，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入實(shí)時操作系統(tǒng)的必要性[5]。在許多嵌入式系統(tǒng)中，不但要求系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件，并對其作出快速處理，通常還需要同時執(zhí)行多個任務(wù)，并對每個任務(wù)作出實(shí)時響應(yīng)。實(shí)踐證明，對于這樣的應(yīng)用，采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)平臺和運(yùn)行平臺是一個良好的選擇。