基于ucos任务管理的开水器设计与实现

1.μC/OS-II嵌入式操作系统简介μC/OS-Ⅱ的功能十分强大，它支持56个用户任务。其内核为占先式，支持信号量、邮箱、消息队列等多种常用的进程间通信机制，现已成功的应用到各种商业嵌入式系统中，是一个成熟稳定的实时内核。更为重要的一点是与大多商用RTOS不同，μC/OS-Ⅱ公开所有的源代码，而且μC/OS-Ⅱ90%的代码使用标准的ANSIC语言书写，程序可读性强、移植性好；它可免费获得，即使商业应用也只收取少量的许可费用。同时μC/OS-Ⅱ是一个占先式的内核，即已经准备就绪的高优先级任务可以剥夺正在运行的低优先级任务的ＣＰＵ使用权。这个特点使得它的实时性比非占先式的内核要好。通常都是在中断服务程序中使高优先级任务进入就绪态(例如使用发送信号的方法)，退出中断服务程序后，将进行任务切换，高优先级任务被执行。以51单片机为例，比较一下就可以发现这样做的好处。假如需要用中断方式采集一批数据并进行处理，在传统的编程方法中不能在中断服务程序中进行复杂的数据处理，因为这会使得关中断时间过长。所以经常采用的方法是置一标志位，然后退出中断。由于主程序是循环执行的，所以它总有机会检测到这一标志并转到数据处理程序中去。但是因为无法确定发生中断时程序到底执行到了什么地方，也就无法判断要经过多长时间数据处理程序才会执行，中断响应时间无法确定，系统的实时性不强。如果使用μC/OS-Ⅱ，只要把数据处理程序的优先级设定的高一些并在中断服务程序中使它进入就绪态，中断结束后数据处理程序就会被立即执行。这样可以把中断响应时间限制在一定的范围内。对于一些对中断响应时间有严格要求的系统，这是必不可少的。但是如果数据处理程序简单，这样做就未必合适。因为μC/OS-Ⅱ要求在中断服务程序末尾使用ＯＳＩＮＴＥＸＩＴ函数以判断是否进行任务切换，这需要花费一定的时间。μC/OS-Ⅱ和大家所熟知的Windows等分时操作系统不同，它不支持时间片轮转法。它是一个基于优先级的实时操作系统。每一个任务必须具有不同的优先级(分析它的源码会发现，μC/OS-Ⅱ把任务的优先级当作任务的标识来使用，如果优先级相同，任务将无法区分)。进入就绪态的优先级最高的任务首先得到ＣＰＵ的使用权，只有等它交出ＣＰＵ的使用权后，其他任务才可以被执行。所以只能说它是多任务，不能说是多进程，至少不是人们所熟悉的那种多进程。μC/OS-Ⅱ的这种特性是好是坏，主要看从什么角度来判断了。显而易见，如果只考虑实时性，它当然比分时系统好，它可以保证重要任务总是优先占有ＣＰＵ。但是在应用系统中，重要任务毕竟是有限的，这就使得划分其他任务的优先权变成了一个让人费神的问题。另外，有些任务交替执行反而对用户更有利。例如，用单片机控制两小块显示屏时，无论是编程者还是使用者肯定希望它们同时工作，而不是显示完一块显示屏的信息以后再显示另一块显示屏的信息。这时候，要是μC/OS-Ⅱ既能支持优先级法又能支持时间片轮转法就更好了。μC/OS-Ⅱ对共享资源提供了保护机制。正如前文所述，μC/OS-Ⅱ是一个支持多任务的操作系统。一个完整的程序可以划分成几个任务，不同的任务执行不同的功能。这样，一个任务就相当于模块化设计中的一个子模块。在任务中添加代码时，只要不是共享资源就不必担心互相之间有影响。对于共享资源(例如串口)，μC/OS-Ⅱ也提供了很好的解决办法。一般情况下使用的是信号量的方法。简单地说，先创建一个信号量并对它进行初始化。当一个任务需要使用一个共享资源时，它必须先申请得到这个信号量。而一旦它得到了此信号量，那就只有等它使用完了该资源，信号量才会被释放。在这个过程中即使有优先权更高的任务进入了就绪态，因为无法得到此信号量，也不能使用该资源。这个特点的好处显而易见，这里还拿传统的单片机程序来做比较。当显示屏正在显示信息的时候，外部产生了一个中断，而在中断服务程序中需要显示屏显示其他信息。这样，退出中断服务程序后，原有的信息就可能被破坏了。而在μC/OS-Ⅱ中采用信号量的方法时，只有显示屏把原有信息显示完毕后才可以显示新信息，从而可以避免这个问题。不过，采用这种方法是以牺牲系待统的实时性为代价的。如果显示原有信息需要耗费大量时间，系统只好等。从结果上看，等于延长了中断响应时间，这对于未显示信息是报警信息的情况，无疑是致命的。发生这种情况，在μC/OS-Ⅱ中称为优先级反转。简单地说，就是高优先级任务必须等待低优先级任务的完成。在上述情况下，在两个任务之间发生优先级反转是无法避免的。所以使用μC/OS-Ⅱ时，必须对所开发的系统了解清楚，才能选择对某种共享资源是否使用信号量。2.嵌入式系统编程语言的选择和其他语言相比，C语言已经成为嵌入式程序员的语言了。因为对于一个给定的项目来说，选择一种语言对成功的开发是如此的重要，所以，当一种语言被证明可以同时适于8位和64位处理器，适用于字节、千字节甚至兆字节的系统时，这种语言一定会被程序员所广泛采用的。C语言做到了这一定，相对于其他语言C是有很多优势的。它小而易学，在今天几乎每一种处理器都有C的编译器，同时还拥有相当多的有经验的C程序员。更重要的是，C语言是和处理器无关的，这就能够让程序员可以着眼于算法和应用而不用考虑特定处理器结构的细节语言与其他语言比如Pascal和FORTRAN区别开的地方就是，C语言是一个非常“低级”的高级语言，C语言给与嵌入式程序员很大程度的直接控制硬件的能力，却不会失去高级语言带来的好处。“低级”的内在本质是这个语言创建者的明显目的。很少有其他高级语言可以像C一样，为几乎所有的处理器生成经凑的、高效的代码，同时只有C与与程序员方便地和底层硬件打交道。当然，C语言并不是嵌入式程序言使用的唯一的语言。至少还有其他三种值得详细说明一下，即汇编语言、C++语言和Ada语言。在早期的时候，嵌入式软件只能用目标处理器的汇编语言来书写。这样早市程序员可以完全控制处理器和其它硬件，当然也是有代价的。除了更高的软件开发费用和缺乏移植性，汇编语言还有很多缺点。汇编语言现在只用作高级语言的附件，通产只用在那些必须要求极高效率或非常紧凑，或者是其他方法无法编写的小段代码里。C++使C语言的面向对象的超集，正在嵌入式程序员中变得越来越流行。他的核心语言特性和C语言完全一样，但是C++提供了更好的数据抽象和面向对象形式的编程功能。这些新的特性对软件开发人员非常有帮助，但是部分特性会降低可执行程序的性能，所以C++在大的开发队伍利用的最为普遍，在那里对程序员的帮助要比程序效率的损失更为重要。Ada也是一种面向对象的语言。不过和C++完全不同。Ada开始是美国国防部为了开发面向任务的军用软件而设计的。尽管它曾两次被接纳为国际标准（Ada83和Ada95），但是Ada从来没有在防务和航空领域之外获得足够的应用。即使是这些领地这几年也在逐渐丧失，这是一件很不幸的事情，因为与C++比起来，Ada有很多特性可以简化嵌入式软件的开发工作。3.需求分析本次实验采用的原型为北研楼一楼的开水器；在开水器通电之后，开水器自动将水烧开，并将容量及温度等情况通过LED灯显示，以提醒用户。当用户打开开关放出一定量的开水之后，开水器的容量会减少，伴随着水量的减少，水的温度也会降低。此时，开水器将会注水并且将水烧开，然后再次将开水器的状态表现在LED的亮和关上。因而可以分为：电源容量控制模块、温度容量控制模块、开关容量控制模块、LED显示容量控制模块、容量控制模块。4.系统整体设计系统体系结构是系统整体结构的一个计划，用于描述如何实现在需求分析和规格说明中提出的功能的，而后用于设计搭建整个体系结构的构件。整个系统的结构框图如下图所示：5.系统软件设计μC/OS-Ⅱ软硬件体系统，其系统结构如下图上图说明了μC/OS-Ⅱ的软硬件体系结构。应用程序处于整个系统的顶层，每个任务都可以认为自己独占了CPU，因而可以设计成为一个无限循环。μC/OS-Ⅱ与处理器无关的的代码体μC/OS-Ⅱ的系统服务，应用程序可以使用这些API函数进行内存管理、任务间通信及创建、删除任务等。大部分的μC/OS-Ⅱ代码时使用ANSIC语言书写的，因此μC/OS-Ⅱ的可ARMCortex-M3/目标板μC/OS-IICortex-M3PortOS_CPU_C.COS_CPU_A.ASMOS_CPU.HOS_DEG.CBSPBSP.CBSP.HμC/OS-IIOS_CORE.COS_FLAG.COS_MBOX.COS_MEM.COS_MUTEX.COS_Q.COS_SEM.COS_TASK.COS_TIME.COS_TMR.CuCOS_II.HμC/OS-II应用程序移植性好。然而仍需要使用C语言和汇编语言协议协处理器相关代码。6.具体设计：首先进行函数的声明以及宏定义：#defineTASK_STK_SIZE512//Sizeofeachtask'sstacks(#ofWORDs)#defineN_TASKS5//5个任务#defineTASK_START_ID10//ApplicationtasksIDs#defineTASK_START_PRIO11//Applicationtaskspriorities#defineTASK_POWER_PRIO12//电源任务#defineTASK_TEMP_PRIO13//温度采集任务#defineTASK_ONOFF_PRIO15//开关任务#defineTASK_LED_PRIO16//LED显示任务#defineTASK_CAPA_PRIO14//容量检测任务OS_STKTaskStk[N_TASKS][TASK_STK_SIZE];//TasksstacksOS_STKTaskStartStk[TASK_STK_SIZE];//TaskStarttaskstackINT8UTaskData[N_TASKS];//Parameterstopasstoeachtask声明部分：voidTask_power(void*pdata);//FunctionprototypesoftasksvoidTask_temp(void*pdata);voidTask_getwater(void*pdata);voidTask_led(void*pdata);voidTask_capa(void*pdata);voidTaskStart(void*pdata);//FunctionprototypesofStartuptaskvoidTaskStartCreateTasks(void);//Functionprototypesofcreattaskintonoff=1;inttemp=1;intpower=1;intcapa=1;intc_capa=100;intc_temp=100;在main中建立一个起始任务TaskStart(void*pdata){#ifOS_CRITICAL_METHOD==3OS_CPU_SRcpu_sr;cpu_sr=cpu_sr;#endifpdata=pdata;UCOS_TIMER_START();TaskStartCreateTasks();OSTaskSuspend(OS_PRIO_SELF);}用TaskStartCreateTasks函数建立5个任务，任务名分别为：voidTask_power(void*pdata);(电源管理模块)voidTask_temp(void*pdata);（温度控制模块）voidTask_getwater(void*pdata);（开关模块）voidTask_led(void*pdata);（LED管理模块）voidTask_capa(void*pdata);（容量控制模块）创建任务：OSTaskCreate(Task_power,(void*)&TaskData[0],&TaskStk[0][TASK_STK_SIZE-1],TASK_POWER_PRIO);--创建电源管理任务OSTaskCreate(Task_led,(void*)&TaskD