单片机抢占式嵌入式操作系统的设计分析

侯文宾

摘 要：抢占式实时嵌入式操作系统由于具有较高的实时性，所以应用范围更广。而采用单片机作为系统内核，则能进一步加强系统控制，以提高系统任务调度实现的实时性。基于这种认识，本文在明确系统设计目标的基础上，设计了一种基于单片机的抢占式实时嵌入式操作系统。

关键词：抢占式实时嵌入式操作系统；80C51单片机；中断处理

抢占式实时嵌入式操作系统能够在任务得到CPU时间时第一时间进行CPU的完全霸占，能够更好的把握系统控制权，从而使任务得到迅速完成。所以相较于非抢占式操作系统，该种系统能够更好的满足应用的实时性要求，能够在工业生产等领域得到较好的应用。因此，还应加强抢占式实时嵌入式操作系统设计研究，从而更好的完成该类系统的开发。

1 基于单片机的抢占式实时嵌入式操作系统设计目标

基于单片机的抢占式实时嵌入式操作系统设计，首先还要满足实时性要求。进行这样的系统设计，需要将系统调用设计为可重入，以确保关键数据访问能够在临界区得到实现。而系统的调用不会被别的任务打断，所以想要避免关键任务的执行被延迟，还要采取合理的调度策略。针对任务间耦合度低的系统，可以进行单一速率调度算法的使用，完成静态优先级的设置，根据任务周期确定最高优先级。针对任务耦合度较高的系统，还要采取期限最近优先调度策略，根据最后期限顺序完成优先级的动态设置。

2 基于单片机的抢占式实时嵌入式操作系统设计实施

在实际进行基于单片机的抢占式实时嵌入式操作系统设计时，在完成合适单片机选择后，还要完成系统的模块化设计，即完成中断处理模块、任务调用實现模块和任务通讯等模块的设计。

2.1 系统单片机选择

在设计系统时，考虑到系统任务数在510s范围内，且规模较小，拥有较高的可靠性和安全性要求，并需要保证数据传输的实时性，因此还要选用80C51单片机。该单片机由Intel公司开发，内部拥有乘、除、减、比较等指令，并能实现布尔代数运算等运算，包含5个中断源。此外，单片机拥有128Byte的RAM及4K的ROM，并拥有两个16位定时计数器和4个8位并行输入口，能够满足系统时间精度要求。在各模块设计上，采用该单片机可以直接利用汇编语言完成编程，并且可以利用实地址线程完成任务的管理。

2.2 系统各模块设计

2.2.1 中断处理模块设计

在系统中断处理模块设计上，还要将各中断源设为优先级较低的部分，以确保中断能够得到及时响应。在中断处理方面，首选需进行现场中断响应，然后根据中断源完成例程ISR选择，最后进行任务驱动。利用reenter，可实现嵌套层次的记录。在每次利用reenter时，还要进行加1处理，并在退出中断时进行减1。在reenter=0的情况下，代表所有处理已经结束，可进行任务的调度。利用ISR，可进行中断源分析，并直接完成急迫和简单事件处理。如果遇到复杂事件，则需要交由其他对应任务[1]。在系统任务推出内核时，堆栈指针则会指向current线程，从而完成任务调度。通过中断处理，可以使任务的优先级得到改变。利用current，则能完成最高优先级的设置。

2.2.2 任务调用实现模块设计

在任务调用实现模块设计上，还要采取线程方式实现任务管理。在系统内核中，需完成全局变量区域的设置，以实现线程共享。而从线程组成上来看，则包含可执行代码和任务控制块，需利用TCB标识任务表。该任务表将被存储在内核的相应表格中，能够为数量为n_tasks的任务提供支持，该数值通常在15以下。结合任务的状态及性质，可实现任务表链接。而利用TCB，可以完成任务硬实时和软实时的标识，可以利用rt进行标识。如果需进行中断事件的处理，需利用ISR完成deadline的调用，以实现TASK的充填。在此基础上，需准备好state。并完成就绪队列的插入。利用TASK，也能完成任务说明的存放。而标有p_task的队列拥有被记录的事件，这类事件大多由于发生过快而被延期，以免任务丢失。在中断退出时，需完成变量设置，以完成线程获取。而在这一阶段，可以根据任务最后期限的顺序完成current设置，并确保硬实时优先。值得注意的是，运行的任务数量应在10以下，需通过顺链查找完成任务插入，以确保任务能够得到实时调用。进行任务切换时，需进行定时器计时。而任务启动后，无需将线程删除。在实际调度任务时，需采用EDF，确保系统负载不超过最大承受的数量。如果硬实时超出时限，系统会触发定时终端，完成异常例程启动，需完成安全恢复操作的设定才能实现任务。此时，在系统入口地址位置，将完成do_error的存放，系统则会进行关中断的执行。

2.2.3 其他模块设计

在线程之间，可能存在路径互斥的情况。此时，还要利用关中断完成内核控制，利用软锁进行中断响应的提供[2]。而在线程通讯方面，由于缺少用户地址空间，所以还要实现线程间信息共享。针对这一情况，用户还要加强系统调用，以提高系统运行的安全性。

3 结论

通过研究可以发现，在进行抢占式实施嵌入式操作系统设计时，还要采用80C51单片机作为系统内核，以满足系统运行的实时性要求。在此基础上，还要做好系统中断处理、任务调用实现等模块的设计，以确保系统能够满足实时性的应用要求。因此，相信本文该系统设计问题展开的分析，能够为相关工作的开展提供参考。

参考文献：

[1]黄强，徐伟华，吴一波.基于混合架构的嵌入式实时操作系统设计[J].计算机工程，2011，37（12）：1012.

[2]王帅华，杨东升，王允森，等.基于ARM的Linux实时抢占补丁的研究与实现[J].组合机床与自动化加工技术，2015，（09）：14.