Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
Пример: Имеется пример, иллюстрирующий, что операционная система может выполнять критическую функцию, но при этом использовать метод поллинга. Первый автор книги работал в старших классах и во время обучения в колледже в электронной фирме. Фирма разрабатывала систему защиты от хищения телевизоров для мотелей или гостиниц. Эта система должна была опрашивать телевизоры в каждом номере, чтобы установить их наличие. Система непрерывно и последовательно опрашивала все телевизоры в гостинице или мотеле. Если телевизор не отвечал, в главном офисе гостиницы звучал сигнал тревоги и высвечивался номер помещения на семисегментном дисплее. И снова, продолжался опрос, поскольку все действия имели равный приоритет. Это была простая методика, которую к тому же довольно легко было реализовать.
А теперь вернемся к теории ОСРВ. Любое действие операционной системы в ОСРВ называется задачей. Так как система предназначена для обработки целого ряда задач, она называется многозадачной системой. Считается, что все задачи выполняются одновременно. То есть отдельная задача выполняется до определенной точки перехода внутри задачи или до определенного момента, связанного с функциями задачи. Затем операционная система передает управление другой задаче, ожидающей выполнения. Управление возвращается первой задаче спустя некоторое время, и она продолжает выполнять соответствующие действия с того места, где была прервана. Так как операционная система передает управление от задачи к задаче, важно, чтобы состояние всех ключевых регистров, связанных с задачей сохранялось во время выполнения других задач. Ключевые значения регистров называются контекстом задачи. Такая работа ничем не отличается от деятельности официанта в приведенном ранее рассказе. Когда официант переключает внимание с одного столика на другой, ему, или ей необходимо запомнить состояние предыдущего столика — его контекст.
Операционные системы реального времени могут быть классифицированы по степени риска, связанного с невыполнением задачи за установленное ограниченное время обработки. Если система не завершает назначенную задачу за ограниченное время, то происходит сбой в работе ОСРВ. Даже удачное завершение задачи с запаздыванием должно считаться сбоем. Например, если мы рассматриваем ОСРВ, корректирующую направление полета ракеты, то будет считаться сбоем, если вычисления не будут закончены достаточно быстро, чтобы воздействовать на ход ракеты. По критичности ограничений, налагаемых на время отклика, системы ОСРВ можно разделить на следующие категории [8]:
• Жесткая система реального времени: система, где выход момента окончания вычислений за установленные временные рамки ведет к сбою системы;
• Твердая система реального времени: система, в которой небольшой выход за установленный предельный интервала может допускаться;
• Мягкая система реального времени: система, эффективность которой ухудшается при выходе за пределы временных ограничений, но система продолжает функционировать.
ОСРВ выполняет все действия, связанные с задачей, включая следующее:
• Управление задачей, включая планирование и диспетчеризацию;
• Связь между задачами (межзадачная связь);
• Управление системой памяти;
• Управление системой ввода–вывода (I/O);
• Синхронизация;
• Управление обработкой ошибок;
• Управление cообщениями.
При рассмотрении встроенных систем ОСРВ, мы обычно касаемся только небольшой части операционной системы, которая называется ядром и обеспечивает ключевые функции планирования задачи, диспетчеризации и межзадачной связи.
Далее в настоящей главе мы рассмотрим эти понятия.
Вопросы для самопроверкиВопрос: Что такое задача?
Ответ: Каждое действие ОСРВ определено как задача.
Вопрос: Что называется контекстом?
Ответ: Текущее значение ключевых регистров, связанных с задачей.
Вопрос: Что называется межзадачной связью?
Ответ: Связь между различными задачами.
Вопрос: Каково различие между жесткой, твердой и мягкой ОСРВ?
Ответ: В жесткой системе, выход времени выполнения задачи за установленный предел ведет к сбою системы; в твердой системе может допускаться незначительный выход за установленные временные рамки; в мягкой системе, выход за установленные временные рамки снижает эффективность системы, но приводит к сбоям.
Вопрос: Что такое ядро?
Ответ: Ядро — очень небольшая часть операционной системы, которая обеспечивает ключевые функции планирования задачи, диспетчеризации, и межзадачной связи.
Прежде чем перейти к дальнейшему изучению ОСРВ, мы должны сделать дать некоторых понятия, касающиеся ОСРВ.
8.3. Обзор концепций
В этом разделе мы проведем обзор некоторых важных тем, касающихся ОСРВ. Некоторые авторы определенно (и безапелляционно) заявляют, что программы ОСРВ должны быть написаны на ассемблере, чтобы обеспечить максимальное быстродействие системы. Не оспаривая такой точки зрения, мы тем не менее, представляем наши примеры на языке С, чтобы яснее осветить понятия и важные детали ОСРВ. Рассмотрим связь некоторых понятий языка С с основными принципами структур данных. ОСРВ состоит из этих совместно работающих основных структур данных, позволяющих выполнить требования к системе.
Мы советуем вам возвратиться к предыдущим разделам и вспомнить о следующих понятиях: об указателях (глава 3), глобальных и локальных переменных (глава 3) и свойствах стеков и в прерываний 68HC12 (глава 4). Повторив эти разделы, вы можете вернуться к рассмотрению динамического распределения памяти.
8.3.1. Требования к динамическому распределению RAM
В главе 4 мы обсуждали систему памяти, встроенную в отладочную плату (EVB) контроллера B32, который предназначен прежде всего для однокристальных применений. Он включает в себя 32 Кб ПЗУ типа FLASH, 1 Кб статической оперативной памяти RAM и 768 байт стираемого по байту ПЗУ типа EEPROM для сохранения данных системы. Карта памяти для B32 EVB показана на рис. 8.1. Обратите внимание, что большая часть объема принадлежит флеш-памяти EEPROM, в то время как оперативная память (RAM) занимает только 1 Кб. Фактически же только 512 байтов, доступны для использования (от $0800 до $9FFF).
$0000 $01FF Регистры ЦП $0800 $0BFF 1 Кб RAM «на чипе»; • Код/данные пользователя; • Резервирована для D-Bug12 ($0A00-$0BFF) $0D00 $0FFF 768 байт EEPROM «на чипе»; • Код/данные пользователя $8000 $FFFF FLASH EEPROM 32 Кб «на чипе»; • код D-Bug12 ($8000-$F67F); • Область, доступная пользователю ($F6C0–$F6FF); • Настройка функций D-Bug12 ($F680–$F6BF); • Код запуска D-Bug12 ($F700–$F77F); • Таблица вектора прерывания ($F780–$F7FF); • Расширение загрузчика ($F800-$FBFF); • EEPROM загрузчика ($FC00–$FFBF); • Векторы сброса и прерывания ($FFC0–$FFFF)Рис. 8.1. Карта памяти микроконтроллера B32
Для чего же эта RAM используется? Прежде всего она используется для локальных переменных каждой функции. Переменные, помещенные в стек, доступны только при вызове функции. При выходе из функции переменные удаляются из стека, освобождая пространство памяти. Ясно, что можно достаточно быстро исчерпать объем стека, если ваш встроенный контроллер использует рекурсивную подпрограмму (вызываемую, например, для получения ряда Фибоначчи или операции вычисления факториала) или функцию с высокой степенью вложения. То есть при обращении к функции, которая снова вызывает функцию, и т.д. В этих ситуациях активны как все функции, так и связанные с ними локальные переменные.
Ключевой инструмент ОСРВ — использование таких абстрактных типов данных, как записи, списки с указателями и очереди. Обсудим их вкратце. Эти типы данных обычно используют динамическое распределение памяти RAM. Где мы можем взять RAM для этих типов данных? Если мы используем 512 байт как для абстрактных типов данных, так и для стека мы можем потенциально сталкиваться с «зависанием» структуры данных при переполнении стека или наоборот. Это может привести к катастрофическому сбою системы. Мы должны предотвратить это любой ценой. В идеале, мы должны выделить дополнительную память RAM в карте памяти B32. Было бы также полезно физически отделить эту память от памяти RAM на плате B32. Это позволило бы нам иметь отдельные пространства RAM для стека и динамической памяти. Но это не всегда возможно. Если же и стек и динамическая память постоянно находятся в одном и том же пространстве памяти, необходимо гарантировать, что не происходит подмены информации в процессе выполнения программы. Контроллер 68HC12 не обеспечивает автоматического контроля этой ситуации и исключение ее при программировании системы входит в вашу задачу.
