嵌入式实时操作系统Salvo的内核分析与配置

摘要：简要介绍Salvo的基本特点;详细分析Salvo的内核管理、运行机制;深入探讨Salvo用户目标代码的生成与配置，并给出不同用户目标代码生成方式下的用户目标代码生成流程。 关键词：嵌入式操作系统 Salvo 内核分析 任务控制块 配置 引言 目前电子产品开发广泛采用以微处理器为核心的电子系统。开发以微处理器为核心的电子系统(以下简称微处理器系统)采用传统的无限循环函数模式，产品的开发周期和稳定性都无法保障，因此，在微处理器系统开发中引入嵌入式实时操作系统RTOS。RTOS的引入消耗了部分系统资源。这部分系统资源对于高档微处理器系统影响不大;对于中小规模微处理器系统，特别是单片机系统，由于RTOS资源的占用，使用户可用资源大大减少，严重影响系统的实时性，甚至系统功能无法完成。市场上虽然有一些专用于单片机的RTOS，如应用于51系列单片机RTX51 tiny，但由于功能相对薄弱，无太大实用价值;另外也有一些功能较强的RTOS可移植到单片机系统，但由于占用资源较多，需扩展大量的RAM和ROM，并且产时性差。本文介绍一种适用于小容量存储器单片机(如PIC系列)系统且功能强大的RTOS—Salvo。 1 Salvo特点 嵌入式实时操作系统Salvo有两大特点：①占用系统资源少;②功能强大。 (1)Salvo占用的系统资源 Salvo最大的特点是占用系统资源少，特别是占用存储器资源极少。它不但适用于51系列单片机，也适用于存储器资源更少的PIC系列单片机。Salvo 占用ROM资源取决于用户调用的系统函数，占用RAM取决于用户定义的变量、任务和事件的数量。以PIC16系列单片机为例，每个全局变量占10B，任务点5B，事件占3B。 (2)Salvo功能和性能 Salvo是一个基于优先级任务切换，支持事件驱动的多任务嵌入式实时操作系统。Salvo共支持16个任务优先级。且多个任务可以共用一个优先级，任务按优先级高低切换，对于多个同一优先级的任务，以时间片循环方式 (round-robin)切换。Salvo支持任务和事件的数量不限，取决于RAM的大小。(Salvo默认支持255个任务、255个事件和255个消息队列) 图1 Salvo内核主要提供以下几类函数供用户应用程序引用： ①任务管理—提供任务建立、任务撤消等功能; ②时间管理—提供任务延时函数等功能; ③信号管理—提供信号量建立、删除、等待、发出等功能; ④消息管理—提供消息建立、删除、等待、发出等功能。 2 Salvo的内核分析 (1)任务状态及状态转移 Salvo的用户任务具有以下几种状态： ①运行状态。任务占用系统资源正在运行中，任务一时刻只能有一个任务可以处于运行状态; ②就绪状态。由于任务的优先级不是最高优先级，任务正在等待运行; ③延时状态。任务先前已运行过，现在暂停运行等待延时时间到达，一旦延时时间到达，任务处于就绪状态; ④停止状态。任务先前已运行过，现在由于某种确定原因暂停运行，直到RTOS再次启动该任务; ⑤等待状态。任务暂停运行，直到它的等待事件发生。 Salvo的任务状态转移图如图1所示。 (2)任务同步和通信 为保证应用系统各任务的协调和信息传输，嵌入式操作系统需要同步和通信机制。一般采用信号量、事件标志、消息和消息队列实现任务间的同步和通信。 信号量(semaphores)分二进制信号量和计数式信号量，用于表示事件的发生或对共享资源的访问。信号量使用前应先采用OSCreateSem() 函数产生，信号量接收的任务在处理中用OS_WaitSem()函数等待事件发生而挂起。一旦信号量发送，任务根据事件的发送情况用 OSSignalSem()函数设置信号量，挂起的信号量接收任务继续运行。对于二进制信号量，Salvo提供OSCreateBinSem()、 OS_WaitBinSem()、OSSignalBinSem()等函数用于二进制信号量的产生、等待和设置等功能。 图2 事件标志(event flags)用于某任务与多个事件的同步。任务与多个事件的同步可以是独立同步(逻辑或关系)，也可以是关联同步(逻辑与关系)。Salvo提供 OSCreateEFlag()、OS_WaitEFlag、OSSignalEFlag()等函数用于事件标志的产生、等待和设置等功能。 信号量和事件标志只能用于传递事件的发生或对共享事件的访问，任务间其它信息的传递通过消息(messages)实现。消息可以传递各种信息，包括数值、字符、数组、函数、指针等。任务间传递的并非消息本身，而是指向消息的指针，消息内容的含义由发送和接收消息的任务约定。Salvo提供 OSCreateMsg()、OS_WaitMsg()、OSSignalMsg()等函数用于消息的产生、等待和设置等功能。消息队列实际是消息阵列，用于任务或中断服务程序(ISR)向一个或多个任务发送消息，队列中的消息按先进选出(FIFO)原则被任务读取。Salvo提供 OSCreateMsgQ()、OS_WaitMsg()、OSSignalMsgQ()等函数用于消息的产生、等待和设置等功能。 (3)任务调度和任务控制块 Salvo是基于优先级的嵌入式实时操作系统，Salvo总是运行就绪任务表中优先级最高的任务。(Salvo允许2个以上任务处于同一优先级，同一优先级任务按时间片轮转调度)Salvo由函数OSSched()实现任务调度。 在任务切换过程中，被剥夺CPU使用权的任务必须保存该任务的当前运行状态，如CPU内寄存器的值;而获得CPU使用权的任务必须恢复前一次被剥夺CPU 使用权时的运行状态，继续运行。为完成这些功能，Salvo为每一个建立的任务建立一个任务控制埠(TCB)。任务控制埠是一个数据结构，当任务的CPU 使用权被剥夺时，Salvo用它来保存该任务的运行状态;当任务重新获得CPU使用权时，任务控制块能确保任务从当时被中断处继续运行。 3 Salvo的配置 当了成功地编译Salvo应用程序，并使编译后的目标代码小，系统运行时占用RAM空间少，在编译Salvo应用程序时，需要对Salvo进行配置。 (1)目标代码建立方式 Salvo应用程序目标代码建立方式有两种：基于库的建立和基于源泉代码的建立。 在基于库的目标代码建立中，Salvo提供的用户函数包含在预编译的Salvo库文件中，Salvo应用程序从用户程序源代码(包括C语言和汇编语言)、 Salvo库和Salvo的mem.c建立而成。由于Salvo库是预先编译的，应用程序编译时的配置文件对Salvo库，即用户函数无效。基于库的目标代码建立过程如图2所示。 在基于源代码的目标代码建立中，Salvo提供用户函数的源代码。Salvo应用程序从用户程序源代码、Salvo用户函数源代码(包括C语言和汇编语言)和Salvo的mem.c建立而成。由于Salvo用户函数是源代码形式，Salvo应用程序编译时的配置文件对Salvo的用户函数有效。基于源代码的目标代码建立过程如图3所示。 相对于基于库的建立方式，基于源代码的目标代码建立配置文件作用范围更大，生成的目标代码更贴近应用系统。即目标代码更小，运行时占用RAM更少。 图3 (2)Salvo配置 Salvo的配置信息保存在应用程序同一目标的salvocfg.h文件中，文件以文本形式，每项配置操作通过C语言的#define语句实现。 Salvo的配置主要有以下几类操作： ①任务和事件—配置任务数，开启/关闭信号量、消息和消息队列; ②大小指定—配置延时RAM、计数器、事件标志、标记的位数; ③定时和标记—开启/关闭定时器; ④优化操作—优化运行速度、消息队列、全局变量等; ⑤监视和调试—配置指针、延时、任务、事件的监视; ⑥错误检查—开启/关闭用户函数错误检查; ⑦存储器定位—配置Salvo对象在RAM中的位置。 典型的配置文件格式如下： #define OSBYTES_OF_DELAYS 1 //设置延时RAM长度 #define OSENABLE_MESSAGES TRUE //开启消息处理功能 #define OSEVENTS 1 //设置应用系统中事件数 #define OSTASKS 3 //设置应用程序系统中任务数 4 结论 以上分析可知，嵌入式实时操作系统Salvo以其功能强大、内核简洁高效、占用资源少、可配置性强等特点，非常适合于资源较少，特别是存储器资源少的单片机系统使用。在单片机系统中嵌入实时操作系统Salvo，可大大缩短产品开发周期，提高可靠性，增强产品市场竞争力。