Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

8.5.5. Системы с управлением по прерыванию

В главе 4 мы обсуждали мощную и гибкую систему прерывания микроконтроллера 68HC12 с приоритетным управлением. Эту систему прерывания мы можем использовать теперь при разработке ОСРВ. При этом сначала основная программа проводит инициализацию, позволяющую конфигурировать систему, а затем система переходит к бесконечному циклу. Внутри цикла, процессор просто ждет событий, вызывающих прерывание. Когда приходят отдельные запросы на прерывания, процессор выполняет программу обработки прерывания, связанную с каждой из задач (с каждым прерыванием). Если несколько запросов на прерывания приходят одновременно, используются механизмы приоритетов, встроенные в 68HC12, и определяющие, какая из задач должна быть выполнена сначала. Механизмы стеков в системах прерывания 68HC12 гарантирует, что контексты задач будут правильно сохраняться и восстанавливаться. Операционную систему с управлением по прерыванию такого типа относительно просто написать. К числу ее преимуществ относится малое время реакции на событие, вызывающее прерывание. Систему необходимо спроектировать таким образом, чтобы она точно оценивала приоритет каждой задачи, от которой приходит запрос на прерывание.

Пример: В этой главе мы уже обсуждали робот, движущийся в лабиринте и обнаруживающий магнитные мины. Операционная система для этого робота могла бы быть выполнена, используя методы прерывания. В этом случае задачи инициализации (для ЖКД, ATD и ШИМ) были бы реализованы при инициировании операционной системы и затем переведены в бездействующее состояние. Операционная система затем перешла бы к непрерывному циклу, ожидая запросов на прерывание от различных задач. Каждая из задач, связанных с обнаружением мин, с обнаружением стенок лабиринта и управлением соответствующими поворотами, с модификацией информации, выводимой на ЖКД, посылала бы отдельный запрос на прерывание и вызывала связанную с ним программу обработки прерывания (ISR). Если, например, робот обнаруживает мину, это событие вызовет прерывание, и затем соответствующую ISR, связанную с обходом мины. Если несколько запросов на прерывания приходят одновременно; аппаратные средства приоритета прерывания 68HC12 обеспечивают первоочередное обслуживание прерывания с самым высоким приоритетом. Если запрос на прерывание с более высоким приоритетом приходит во время обслуживания низкоприоритетного прерывания, то последнее прерывается, контроллер 68HC12 конфигурируется для обслуживания прерывания с высоким приоритетом и лишь затем возвращается к обслуживанию низкоприоритетного прерывания.

8.5.6. Кооперативная многозадачность

При кооперативном многозадачном режиме ОСРВ для задачи с самым высоким приоритетом из находящихся в состоянии готовности выделяется определенное количество процессорного времени. Затем она возвращает управление операционной системе в отметке, удобной для прерывания связанных с ней действий. До передачи управления, эта задача модифицирует связанный с ней TCB в соответствии с текущим контекстом. Затем задача снова переводится в состояние готовности. Операционная система затем позволяет следующей задаче с самым высоким приоритетом, находящейся в состоянии готовности перейти в активное состояние. Задача, вводящая активное состояние восстанавливает контекст, извлекая информацию из своего TCB. Эта задача затем выполняет свою часть программы, пока не достигает точки прерывания. Затем она, в свою очередь, модифицирует свой TCB в соответствии с текущим контекстом, возвращает управление операционной системе и процесс продолжается. Важно подчеркнуть, что в кооперативной многозадачной системе, задача возвращает управление операционной системе. Если задача не будет передавать управление, то задачи с более низким приоритетом никогда не смогут получить процессорного времени. Вы можете заметить, насколько важна межзадачная связь при таком типе операционной системы. Она обычно осуществляется путем использования глобальных переменных.

Операционные системы этого типа можно выполнить, используя для задач системы ряд списков с указателями. При этом списки с указателями существуют для каждого из различных состояний, в которых могут находиться задачи. Эта концепция иллюстрируется структурой, показанной на рис. 8.17. В процессе работы системы, задачи перемещаются из списка в список. Ранее в этой главе мы перемещали из одного списка с указателями в другой запись, идентифицирующую автомобиль, в ответ на его обслуживание различными автомобильными дилерами. Точно так же в зависимости от действий нашей прикладной программы перемещается из списка в список и задача, состояние которой отражается в форме записи с указателем.

Рис. 8.17. Система списков с указателями для задач

8.5.7. Многозадачные системы с преимущественным приоритетом

Многозадачная система с преимущественным приоритетом (PPMS) очень похожа на кооперативную многозадачную систему, главное различие между ними заключается в том, какой из компонентов системы отвечает за предоставление процессорного времени. В кооперативной многозадачной системе, задача возвращает управление процессором операционной системе. В PPMS, сам процессор решает, какая из задач станет активной и будет ли выгружаться задача с низким приоритетом. С PPMS, каждой задаче внутри системы назначен приоритет. Операционная система исследует список с указателями, содержащий все задачи, находящиеся в состоянии готовности и переводит в активное состояние задачу с самым высоким приоритетом. Когда готова задача с более высоким приоритетом, операционная система затем выгружает низкоприоритетную задачу. Последняя изменяет свой TCB и затем переходит в состояние готовности. Активной становится задача с высоким приоритетом. При этом типе ОСРВ, приоритеты задач могут быть постоянными или динамически изменяться в процессе выполнения программы.

Завершая наше обсуждение различных типов ОСРВ, мы должны подчеркнуть, что ни один из способов построения ОСРВ не лучше, чем другие. Проектировщик системы, должен выбрать наиболее подходящую для конкретной разработки конфигурацию ОСРВ в соответствии с требованиями прикладного устройства. В следующем разделе мы обсудим методы, применяемые при разработке ОСРВ.

8.6. Проблемы ОСРВ

После обсуждения теории и принципов работы ОСРВ в предыдущих разделах, вы, наверное, оценили эти системы по достоинству. Система ОСРВ решает много проблем, но создает также ряд трудностей. В этом разделе мы исследуем некоторые из проблем, с которыми вы можете столкнуться во встроенных системах ОСРВ. Мы также обсуждаем методы, с помощью которых можно избежать этих ситуаций, либо смягчить или исправить их. Мы исследуем проблемы конкуренции, повторной входимости, межзадачной связи и безопасности, и коснемся, наконец, главного вопроса: создавать ли вам собственную ОСРВ или покупать стандартную.

8.6.1. Конкуренция

Я провожу много времени в поездках. Однажды я проезжал от Ларами до Форта Коллинз, где должен был подготовить конференцию. На прекрасном и живописном шоссе U.S. 287, мне встретился протяженный участок ремонтируемой дороги. Эта магистраль — асфальтированная дорога с двумя встречными полосами.

Одна полоса магистрали была закрыта на ремонт, по другой можно было проехать. Регулировщики с флажками стояли на обоих концах свободной полосы, чтобы поочередно пропускать группу автомобилей, едущих с юга, а затем — группу, едущих с севера. Регулировщики поддерживали связь друг с другом по радио. Чтобы поддерживать движение и избежать столкновений, один регулировщик должен был дать знак остановки приближающемуся потоку, в то время как другой должен был дать знак встречному потоку «осторожно продолжайте движение».

Этот рассказ иллюстрирует проблему конкуренции, которая присутствует в некоторых типах ОСРВ. В этом случае мы имеем критический ресурс (одну дорогу для встречных потоков), который одновременно требуется для использования двумя различными задачами (пропуском северного и южного потоков). Задача двух регулировщиков состоит в том, чтобы предотвратить одновременный доступ двух задач к критическому ресурсу, не допустив столкновения. В этом разделе мы исследуем, как распределяется критический ресурс в ОСРВ и как можно при этом избежать столкновений.

Как мы уже установили, ОСРВ должна позволить многим задачам, конкурирующим за один и тот же ресурс — процессорное время, завершить свои действия. Мы исследовали достаточно много алгоритмов планирования, позволяющих реализовать эту задачу. Некоторые алгоритмы разрешали межзадачные переключения, только в четко определенные моменты (карусельный и кооперативный многозадачные режимы), другие же — в частности, использующие механизмы прерывания, или приоритетного планирование — могли осуществлять межзадачное переключение без предупреждения.