摘要：在系統(tǒng)控制過程中，實時性是系統(tǒng)性能的一個重要測試指標。應(yīng)用實時操作系統(tǒng)是保證實時性的一種普遍方法，但是一些資源相對缺乏的單片機是不適合用操作系統(tǒng)的。本文介紹在中低檔控制系統(tǒng)中，在不采用實時操作系統(tǒng)的情況下，如何對多個任務(wù)進行控制，以達到實時性要求的方法。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 單片機 實時操作系統(tǒng)

引 言

        在嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計中，如何對被控制的多個任務(wù)進行有效協(xié)調(diào)，使其動作順序合理、響應(yīng)速度快捷，往往是設(shè)計者所考慮的一個很重要的方面，也是衡量檢驗一個系統(tǒng)的綜合性能的重要指標。為了在多個任務(wù)的協(xié)調(diào)控制中滿足實時性的要求，設(shè)計者往往會考慮在系統(tǒng)中嵌入目前流行的某種實時操作系統(tǒng)�，F(xiàn)在也有一些通過驗證的比較優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)可供選擇，有的源代碼甚至是免費提供的，網(wǎng)上也有大量的移植成功的源代碼范例�；趯崟r操作系統(tǒng)編程可以大大縮短開發(fā)的周期，實時性也有足夠的保證�；趯崟r操作系統(tǒng)編程的代價之一是，增加了程序代碼的長度；代價之二是，需要較多的RAM空間，在不擴展片外存儲器的情況下，中低檔單片機是難以勝任的。另一方面，大部分中低檔應(yīng)用系統(tǒng)通過合理的設(shè)計，采用基于裸機編程（沒有實時操作系統(tǒng)）的方法，也可以保證一定的實時性，從而達到實時控制的要求，這是本文所要介紹的內(nèi)容。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

        1.1 通過定時中斷間隔的設(shè)計來保證實時性

        為了完成控制系統(tǒng)中多任務(wù)的實時響應(yīng)要求，可以利用定時中斷作為系統(tǒng)的時鐘。每個中斷的間隔作為時鐘的最小基本單位，這個值要小于或等于被控制的各個任務(wù)中對時間要求最苛刻的任務(wù)的最大允許響應(yīng)時間。定時間隔越短，響應(yīng)越快捷，但系統(tǒng)CPU的負擔也越重（因為CPU休眠的時間也越來越少）。這是一對相互矛盾的事物，需要設(shè)計者謹慎的協(xié)調(diào)才能達到最完美的效果。例如在配料控制系統(tǒng)中，如果加料速度為20 kg/s，要求配料誤差為1 kg，則系統(tǒng)的實時性必須保證在50 ms之內(nèi)。為了留有余地，可將定時中斷間隔設(shè)置為20 ms。

        1.2 通過對所有任務(wù)的及時“照看”來管理多任務(wù)

        可以根據(jù)各個任務(wù)對實時性要求的不同程度,將任務(wù)分為不同的類型。對實時性要求越是苛刻的任務(wù)，就需要得到系統(tǒng)越頻繁的“照看”。對于實時性要求不高的任務(wù)，系統(tǒng)對它的“照看”時間間隔可以長一些。例如，有兩個任務(wù)A和B，任務(wù)A每秒必須“照看”10次，任務(wù)B每秒必須“照看”2次，則控制流程如圖1所示。從圖1中可以看出，任務(wù)A每隔0.1 s“照看”1次，任務(wù)B每隔0.5 s“照看”1次。對實時性要求基本相同的若干任務(wù)，可依次“照看”,其程序流程如圖2所示。

圖1處理實時性要求不同的任務(wù)

圖2處理實時性要求基本相同的任務(wù)

        將所有任務(wù)都放在定時監(jiān)控循環(huán)中來“照看”，就可以使各個任務(wù)得到實時“照看”，問題的關(guān)鍵是系統(tǒng)如何“照看”各個任務(wù)。如果某任務(wù)運行一次所需要的時間遠小于定時間隔，則該任務(wù)可安排在系統(tǒng)“照看”它時完整地執(zhí)行一次。在這種情況下，“照看”某任務(wù)和“運行”某任務(wù)是一回事。如果某任務(wù)的運行時間遠大于定時間隔，例如在配料系統(tǒng)中，一次配料任務(wù)需要數(shù)十秒鐘，而定時間隔只有20 ms，因此，在“照看”該任務(wù)時不可能等待它完成后再“照看”其他任務(wù)，否則系統(tǒng)就會崩潰。為此，系統(tǒng)對任何任務(wù)的“照看”時間必須遠小于定時間隔，只有這樣才能保證系統(tǒng)在一個定時間隔中完成對所有任務(wù)的“照看”。由此可以看出，在本方法中，任何任務(wù)都不能較長時間單獨占有CPU，而是在不斷地得到系統(tǒng)的“照看”，通過“照看”來維持各個任務(wù)的正常運行。

        1.3將任務(wù)分解為若干狀態(tài)

        對于執(zhí)行時間大于定時間隔的任務(wù)，其執(zhí)行過程都是由若干不同狀態(tài)構(gòu)成的。在不同狀態(tài)下，需要系統(tǒng)進行不同方式的“照看”，為此，為這個任務(wù)設(shè)置一個狀態(tài)變量，以指示該任務(wù)當前的狀態(tài)。當系統(tǒng)“照看”該任務(wù)時，首先讀取該任務(wù)的狀態(tài)變量，然后根據(jù)狀態(tài)變量的值來執(zhí)行對應(yīng)的“照看”操作。