嵌入式操作系统μLC／OS-Ⅱ面向数控系统的改进

摘要：为了使嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ更加适合数控系统的应用，对μC／OS-Ⅱ的任务分类和任务调度做了改进。将任务分为普通任务和抢占式任务。普通任务指通过操作系统调度器调度运行的任务，它又分为周期任务和随机任务。周期任务对应数控系统中要求定期执行的任务，随机任务对应数控系统中由信号触发执行的任务。抢占式任务不通过调度器调度运行，而在中断处理中直接运行。抢占式任务对应数控系统中执行频率高，执行时间短的任务。实验证明，改进后的μC／OS-Ⅱ更适合数控系统任务的添加。
关键词：数控系统；μC／OS-Ⅱ；任务分类；任务调度

嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ是一个可裁剪、源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中小型嵌入式系统，具有执行效率高，占用空间小，可移植性强，实时性能优良和可扩展性强等特点。数控系统是一个典型的强实时性系统，具有可确定性。可确定性主要是确保条件出现到由此引起的动作开始(或者结束)的时间在一个准确的时段内。在数控系统中，条件是由操作员的指令(如：紧急停止、移动x轴等)或是机床的状态(如刀具破损等)引起的。本文分析了数控系统任务的特点，结合μC／OS-Ⅱ的内核体系，对μC／OS-Ⅱ的任务分类、任务调度和中断服务策略做了改进，使其更加适合于数控系统的应用。

1 μC／OS-Ⅱ对任务的分类
μC／OS-Ⅱ中每个任务有5种状态：休眠(DORMANT)、就绪(READY)、运行(RUNNING)、等待(WAITING)、中断(ISR)。休眠状态的任务驻留在存储器中，还未被内核使用；就绪状态的任务准备执行，优先级低于当前执行的任务，没有得到CPU控制权；任务得到CPU控制权后就处于运行状态；等待事件发生的任务处于等待状态，事件可以是I／O操作完成、共享资源可以利用、时钟周期到等；任务执行过程被中断服务例程中断，任务就处于中断状态。

2 μC／OS-Ⅱ面向数控系统的改进
2．1 数控系统任务的特点
在数控系统中，任务可分为两种：周期运行的任务和信号触发运行的任务，这里所说的信号即包括硬件信号，也包括软件信号。周期运行的任务有定时信号采样、定时I／O口扫描、定时通信等。信号触发运行的任务有中断信号(硬件信号)触发的中断服务任务，命令消息信号(软件信号)触发的命令解释任务等。另外，数控系统中，有些任务还具有运行时间短，运行频率高，要求实时性高的特点，如信号采样、数控机床中的插补控制等。
2．2 改进后的任务划分
在改进后的嵌入式操作系统中任务分为两类：普通任务和抢占式任务。普通任务指通过操作系统调度器调度运行的任务，调度方法如图1所示；抢占式任务指那些不通过调度器调度运行，而是在中断处理中直接运行的任务。下面详细说明这两种任务。
2．2．1 普通任务
根据数控系统任务多为周期任务和信号触发任务这一特点，将普通任务分为两种：定时运行的周期任务(简称周期任务)和信号触发运行的随机任务(简称随机任务)。相应的，任务状态被划分为6种：运行态、就绪态、等待态、停止态、挂起态和中断态。图1为改进后的任务状态切换图。

在这六种状态中，运行态、就绪态和中断态对应μC／OS-Ⅱ的READY，RUNNING和ISR；挂起态是任务在执行完成前，因等待某事件或资源而被迫停止运行，等待事件或资源到来的状态；等待态是周期任务完成一次运行，等待运行周期到再次运行时的状态；停止态是随机任务等待其触发信号的状态。这里去掉了休眠态，即没有任务的删除，所有的任务一旦建立，在系统运行期间一直存在。这样的处理是因为在数控系统应用中，所有建立的任务一定是有用的，即在系统运行期间一定会被执行，无用的代码和任务不会被添加。在μC／OS-Ⅱ中，设定每个任务都是一个无限的循环，即任务函数永不返回，这样做是不合适的。该操作系统允许任务函数返回，返回后调用函数OSTaskEndDeal()，该函数根据任务的类别，把周期任务放入等待队列，把随机任务放入停止队列。
2．2．2 抢占式任务
抢占式任务为执行时间短且执行频率高于OS系统时钟频率(如信号采样)，或实时要求高(如数控机床中的插补控制)的任务。调度任务时间(主要是任务切换所花费的时间)往往比这类任务运行一次的时间还多，这显然是不合理的，抢占式任务正是为解决这种不合理而设计的。抢占式任务不通过OS调度器调度运行，也不采用TCB(任务控制块)标识它们，而是在它们的中断触发信号到达时，在中断中_直接处理，这样做节省了调度、任务切换的时间。但是，由于抢占式任务没有TCB，也就没有相应的任务堆栈，所以抢占式任务在使用资源上要特别注意：一定要使用独立的资源。这样既可以使抢占式任务正常运行，又可以避免抢占式任务对被中断程序的环境造成破坏。具体办法如下：
(1)专用寄存器组。若处理程序中使用了寄存器，则为其分配专用的寄存器组，这样也省去了保存／恢复寄存器的时间消耗。
(2)全局变量。因为函数内部的局部变量是分配在堆栈中的，直接处理方式不形成任务，没有自己的堆栈，如果使用局部变量，其局部变量会分配在被中断任务的堆栈内，所以在该方式下任务应使用全局变量。用户在设计抢占式任务时要有一定限制，否则会影响系统的响应时间。具体限制如下：第一，数量不能太多，最好小于等于3个；第二，必须是执行时间短，执行频率高的任务才能被设为抢占式任务。

3 需要修改的内核数据和函数
3．1 任务控制块的修改
(1)修改OSTCBDly的含义。在μC／OS-Ⅱ中，OSTCBDly表示任务延时的时钟节拍数，或者任务挂起时的超时时钟节拍数。如果这个变量为0，则表示任务不延时，或者表示等待事件发生的时间没有限制，修改后，OSTCBDly描述任务自运行的周期数，其计算公式如式(1)所示。若该项为零，任务为信号触发的随机任务。

(2)在TCB增加一项OSTCBDlyD作为任务自运行周期动态值。
INT16UOSTCBDlyD； ／*任务自运行周期动态值*／其中，OSTCBDlyD是任务等待运行时间的动态值。若任务在等待态，其初值为OSTCBD-ly；若任务为挂起态，其初值为超时限制值。系统时钟处理函数OSTimeTick()对OSTCBDlyD减1，当OSTCBDlyD小于0时，则将该任务放入就绪队列。
(3)增加OSTCBStat的取值。OSTCBStat是任务的状态字。由于增加了停止态和等待态两种任务状态，因此需要增加OSTCBStat的取值，具体修改是在文件μCOS_II．H中增加下面信息。
#define OS_STAT_wAIT 0x40 ／／任务状态字为等待态
#define OS_STAT_STOP 0x80 ／／任务状态字为停止态
3．2 时钟节拍函数的OSTimeTick()修改
通过TCB数组扫描全部TCB，根据OSTCBStat的值做不同处理，具体处理如下：
就绪态的任务，OSTCBDlyD--，若有超时，则进行超时处理。
挂起态的任务，OSTCBDlyD--，若有超时，则将其插入就绪表。
等待态的任务，OSTCBDlyD--，若到时，则将其加入就绪表。
运行态的任务和停止态的任务，不做处理。
3．3 增加函数OSTaskEndDeal()
当前任务的函数运行完返回时，调用函数OSTaskEndDeal()，该函数完成工作：首先调用OSTaskStkInit()将该任务的堆栈初始化；然后判断任务是否为最低优先级任务，若是，则保持该任务在就绪态，这样做的目的是使最低优先级任务始终处于就绪态，就绪表不会为空。若否，则根据OSTCBCUR→OSTCBDly决定任务该插入哪个队列，该值等于零，任务进入停止状态；
不等于零，任务进入等待状态。最后，调用OSStart()选择新任务运行。
3．4 抢占式任务的实现
抢占式任务的设计需要根据实际情况做处理，这里以数控系统中的插补控制为例介绍抢占式任务的实现。
3．4．1 插补控制任务的功能
插补控制任务是根据加工命令和当前点的位置，实时计算各坐标轴运动的位移和方向。插补时需要用一个定时器作为插补速度的控制，每次定时中断触发一步插补运算和输出，当插补到终点，定时器停止，插补完成。
3．4．2 插补控制任务的实现
(1)选择一个硬件定时器作为插补专用定时器，将插补任务的代码放入该硬件定时器的中断服务程序中。
(2)为该中断设置一组专用的寄存器组，以减少中断环境保存和恢复的时间。
(3)将需要执行插补任务的当前位置值和加工命令(如：加工曲线线形、终点值)等信息定义成全局变量，以便与其他任务实现快速的信息交互。
(4)插补控制任务的启动。根据插补速度设定定时器初值，初始化插补所用的全局变量，启动定时器。

4 基于改进后的μC／OS-Ⅱ的数控机床执行控制器的软件设计
数控机床系统采用两级结构。上位机由专用软件IPC构成，用于实现人机交互；下位机由C8051020及其外围电路的嵌入式执行控制器构成，负责实时、可靠的控制。嵌入式执行控制器软件基于改进后的μC／OS-Ⅱ设计，主要包括下面一些功能：与IPC的通信(发送任务和接受任务)、命令解释(命令解释任务)和命令执行(加工监控任务、插补计算任务、间隙电压检测和限位开关状态检测任务)。其中，通信有发送和接收两方面内容；命令解释时，对开关量控制命令直接执行；命令执行中需要进行插补计算、检测间隙电压和限位开关状态及加工监测。各任务具体设计如表1所示。