嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ是一個可裁剪、源碼開放、結(jié)構(gòu)小巧、搶先式的實時多任務(wù)內(nèi)核，主要面向中小型嵌入式系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高，占用空間小，可移植性強，實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。數(shù)控系統(tǒng)是一個典型的強實時性系統(tǒng)，具有可確定性。可確定性主要是確保條件出現(xiàn)到由此引起的動作開始(或者結(jié)束)的時間在一個準(zhǔn)確的時段內(nèi)。在數(shù)控系統(tǒng)中，條件是由操作員的指令(如：緊急停止、移動x軸等)或是機床的狀態(tài)(如刀具破損等)引起的。本文分析了數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點，結(jié)合μC／OS-Ⅱ的內(nèi)核體系，對μC／OS-Ⅱ的任務(wù)分類、任務(wù)調(diào)度和中斷服務(wù)策略做了改進(jìn)，使其更加適合于數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)的分類

μC／OS-Ⅱ中每個任務(wù)有5種狀態(tài)：休眠(DORMANT)、就緒(READY)、運行(RUNNING)、等待(WAITING)、中斷(ISR)。休眠狀態(tài)的任務(wù)駐留在存儲器中，還未被內(nèi)核使用；就緒狀態(tài)的任務(wù)準(zhǔn)備執(zhí)行，優(yōu)先級低于當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，沒有得到CPU控制權(quán)；任務(wù)得到CPU控制權(quán)后就處于運行狀態(tài)；等待事件發(fā)生的任務(wù)處于等待狀態(tài)，事件可以是I／O操作完成、共享資源可以利用、時鐘周期到等；任務(wù)執(zhí)行過程被中斷服務(wù)例程中斷，任務(wù)就處于中斷狀態(tài)。

2 μC／OS-Ⅱ面向數(shù)控系統(tǒng)的改進(jìn)

2．1 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)的特點

在數(shù)控系統(tǒng)中，任務(wù)可分為兩種：周期運行的任務(wù)和信號觸發(fā)運行的任務(wù)，這里所說的信號即包括硬件信號，也包括軟件信號。周期運行的任務(wù)有定時信號采樣、定時I／O口掃描、定時通信等。信號觸發(fā)運行的任務(wù)有中斷信號(硬件信號)觸發(fā)的中斷服務(wù)任務(wù)，命令消息信號(軟件信號)觸發(fā)的命令解釋任務(wù)等。另外，數(shù)控系統(tǒng)中，有些任務(wù)還具有運行時間短，運行頻率高，要求實時性高的特點，如信號采樣、數(shù)控機床中的插補控制等。

2．2 改進(jìn)后的任務(wù)劃分

在改進(jìn)后的嵌入式操作系統(tǒng)中任務(wù)分為兩類：普通任務(wù)和搶占式任務(wù)。普通任務(wù)指通過操作系統(tǒng)調(diào)度器調(diào)度運行的任務(wù)，調(diào)度方法如圖1所示；搶占式任務(wù)指那些不通過調(diào)度器調(diào)度運行，而是在中斷處理中直接運行的任務(wù)。下面詳細(xì)說明這兩種任務(wù)。

2．2．1 普通任務(wù)

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)多為周期任務(wù)和信號觸發(fā)任務(wù)這一特點，將普通任務(wù)分為兩種：定時運行的周期任務(wù)(簡稱周期任務(wù))和信號觸發(fā)運行的隨機任務(wù)(簡稱隨機任務(wù))。相應(yīng)的，任務(wù)狀態(tài)被劃分為6種：運行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)、停止態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。圖1為改進(jìn)后的任務(wù)狀態(tài)切換圖。

在這六種狀態(tài)中，運行態(tài)、就緒態(tài)和中斷態(tài)對應(yīng)μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；掛起態(tài)是任務(wù)在執(zhí)行完成前，因等待某事件或資源而被迫停止運行，等待事件或資源到來的狀態(tài)；等待態(tài)是周期任務(wù)完成一次運行，等待運行周期到再次運行時的狀態(tài)；停止態(tài)是隨機任務(wù)等待其觸發(fā)信號的狀態(tài)。這里去掉了休眠態(tài)，即沒有任務(wù)的刪除，所有的任務(wù)一旦建立，在系統(tǒng)運行期間一直存在。這樣的處理是因為在數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中，所有建立的任務(wù)一定是有用的，即在系統(tǒng)運行期間一定會被執(zhí)行，無用的代碼和任務(wù)不會被添加。在μC／OS-Ⅱ中，設(shè)定每個任務(wù)都是一個無限的循環(huán)，即任務(wù)函數(shù)永不返回，這樣做是不合適的。該操作系統(tǒng)允許任務(wù)函數(shù)返回，返回后調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)根據(jù)任務(wù)的類別，把周期任務(wù)放入等待隊列，把隨機任務(wù)放入停止隊列。

2．2．2 搶占式任務(wù)

搶占式任務(wù)為執(zhí)行時間短且執(zhí)行頻率高于OS系統(tǒng)時鐘頻率(如信號采樣)，或?qū)崟r要求高(如數(shù)控機床中的插補控制)的任務(wù)。調(diào)度任務(wù)時間(主要是任務(wù)切換所花費的時間)往往比這類任務(wù)運行一次的時間還多，這顯然是不合理的，搶占式任務(wù)正是為解決這種不合理而設(shè)計的。搶占式任務(wù)不通過OS調(diào)度器調(diào)度運行，也不采用TCB(任務(wù)控制塊)標(biāo)識它們，而是在它們的中斷觸發(fā)信號到達(dá)時，在中斷中_直接處理，這樣做節(jié)省了調(diào)度、任務(wù)切換的時間。但是，由于搶占式任務(wù)沒有TCB，也就沒有相應(yīng)的任務(wù)堆棧，所以搶占式任務(wù)在使用資源上要特別注意：一定要使用獨立的資源。這樣既可以使搶占式任務(wù)正常運行，又可以避免搶占式任務(wù)對被中斷程序的環(huán)境造成破壞。具體辦法如下：

(1)專用寄存器組。若處理程序中使用了寄存器，則為其分配專用的寄存器組，這樣也省去了保存／恢復(fù)寄存器的時間消耗。

(2)全局變量。因為函數(shù)內(nèi)部的局部變量是分配在堆棧中的，直接處理方式不形成任務(wù)，沒有自己的堆棧，如果使用局部變量，其局部變量會分配在被中斷任務(wù)的堆棧內(nèi)，所以在該方式下任務(wù)應(yīng)使用全局變量。用戶在設(shè)計搶占式任務(wù)時要有一定限制，否則會影響系統(tǒng)的響應(yīng)時間。具體限制如下：第一，數(shù)量不能太多，最好小于等于3個；第二，必須是執(zhí)行時間短，執(zhí)行頻率高的任務(wù)才能被設(shè)為搶占式任務(wù)。

3 需要修改的內(nèi)核數(shù)據(jù)和函數(shù)

3．1 任務(wù)控制塊的修改

(1)修改OSTCBDly的含義。在μC／OS-Ⅱ中，OSTCBDly表示任務(wù)延時的時鐘節(jié)拍數(shù)，或者任務(wù)掛起時的超時時鐘節(jié)拍數(shù)。如果這個變量為0，則表示任務(wù)不延時，或者表示等待事件發(fā)生的時間沒有限制，修改后，OSTCBDly描述任務(wù)自運行的周期數(shù)，其計算公式如式(1)所示。若該項為零，任務(wù)為信號觸發(fā)的隨機任務(wù)。

(2)在TCB增加一項OSTCBDlyD作為任務(wù)自運行周期動態(tài)值。
INT16UOSTCBDlyD； ／*任務(wù)自運行周期動態(tài)值*／其中，OSTCBDlyD是任務(wù)等待運行時間的動態(tài)值。若任務(wù)在等待態(tài)，其初值為OSTCBD-ly；若任務(wù)為掛起態(tài)，其初值為超時限制值。系統(tǒng)時鐘處理函數(shù)OSTimeTick()對OSTCBDlyD減1，當(dāng)OSTCBDlyD小于0時，則將該任務(wù)放入就緒隊列。

(3)增加OSTCBStat的取值。OSTCBStat是任務(wù)的狀態(tài)字。由于增加了停止態(tài)和等待態(tài)兩種任務(wù)狀態(tài)，因此需要增加OSTCBStat的取值，具體修改是在文件μCOS_II．H中增加下面信息。

#define OS_STAT_wAIT 0x40 ／／任務(wù)狀態(tài)字為等待態(tài)
#define OS_STAT_STOP 0x80 ／／任務(wù)狀態(tài)字為停止態(tài)

3．2 時鐘節(jié)拍函數(shù)的OSTimeTick()修改

通過TCB數(shù)組掃描全部TCB，根據(jù)OSTCBStat的值做不同處理，具體處理如下：
就緒態(tài)的任務(wù)，OSTCBDlyD--，若有超時，則進(jìn)行超時處理。
掛起態(tài)的任務(wù)，OSTCBDlyD--，若有超時，則將其插入就緒表。
等待態(tài)的任務(wù)，OSTCBDlyD--，若到時，則將其加入就緒表。
運行態(tài)的任務(wù)和停止態(tài)的任務(wù)，不做處理。

3．3 增加函數(shù)OSTaskEndDeal()

當(dāng)前任務(wù)的函數(shù)運行完返回時，調(diào)用函數(shù)OSTaskEndDeal()，該函數(shù)完成工作：首先調(diào)用OSTaskStkInit()將該任務(wù)的堆棧初始化；然后判斷任務(wù)是否為最低優(yōu)先級任務(wù)，若是，則保持該任務(wù)在就緒態(tài)，這樣做的目的是使最低優(yōu)先級任務(wù)始終處于就緒態(tài)，就緒表不會為空。若否，則根據(jù)OSTCBCUR→OSTCBDly決定任務(wù)該插入哪個隊列，該值等于零，任務(wù)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)；

不等于零，任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)。最后，調(diào)用OSStart()選擇新任務(wù)運行。

3．4 搶占式任務(wù)的實現(xiàn)

搶占式任務(wù)的設(shè)計需要根據(jù)實際情況做處理，這里以數(shù)控系統(tǒng)中的插補控制為例介紹搶占式任務(wù)的實現(xiàn)。

3．4．1 插補控制任務(wù)的功能

插補控制任務(wù)是根據(jù)加工命令和當(dāng)前點的位置，實時計算各坐標(biāo)軸運動的位移和方向。插補時需要用一個定時器作為插補速度的控制，每次定時中斷觸發(fā)一步插補運算和輸出，當(dāng)插補到終點，定時器停止，插補完成。

3．4．2 插補控制任務(wù)的實現(xiàn)

(1)選擇一個硬件定時器作為插補專用定時器，將插補任務(wù)的代碼放入該硬件定時器的中斷服務(wù)程序中。
(2)為該中斷設(shè)置一組專用的寄存器組，以減少中斷環(huán)境保存和恢復(fù)的時間。
(3)將需要執(zhí)行插補任務(wù)的當(dāng)前位置值和加工命令(如：加工曲線線形、終點值)等信息定義成全局變量，以便與其他任務(wù)實現(xiàn)快速的信息交互。
(4)插補控制任務(wù)的啟動。根據(jù)插補速度設(shè)定定時器初值，初始化插補所用的全局變量，啟動定時器。