基于時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設計與應用

1.引言
近年來，嵌入式發(fā)展迅速，采用51單片機死循環(huán)的事件觸發(fā)編程方式已逐漸不能滿足企業(yè)對產(chǎn)品穩(wěn)定性和安全性的要求。目前，嵌入式系統(tǒng)軟件有VxWork、Linux、WinCE、μC/OS-II等，可出于成本和技術上的考慮，微控制器往往不會選取其進行設計。在實際應用中，往往會面臨同時應付多外設、多任務的情況，則對它們的相互調度必不可少。時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)就是這樣的簡單實用的操作系統(tǒng)。

本文設計了基于AVR微控制器的時間觸發(fā)多任務調度器并應用于實際。該調度器使用傳遞消息(message)的方式使得微控制器在多個任務及設備間切換。

2.AVR微控制器的結構特點

AVR是目前使用以該系列的ATmega128為例說明，它采用哈佛結構，RISC指令集、低功耗、片上資源豐富的特點，極大簡化了外圍電路，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。其特點為嵌入式系統(tǒng)設計提供了良好的硬件保證。

3.嵌入式兩種觸發(fā)方式的對比

在嵌入式系統(tǒng)中，通常采用兩種本質上不同的調度方式：事件觸發(fā)和時間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級中斷來實現(xiàn)，其發(fā)生時間具有隨機性;而時間觸發(fā)方式由一個全局時鐘驅動，系統(tǒng)的行為在功能與時間上都是確定的，即具有可預測性。

3.1 事件觸發(fā)方式存在的問題

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員有一種中斷事件絕不會丟失的錯誤觀念，這往往給開發(fā)的產(chǎn)品帶來災難性的后果。中斷事件丟失在實際應用中是一個不爭的事實，產(chǎn)生的原因有多方面，但無外乎內因和外因兩種。外因指嵌入式系統(tǒng)外產(chǎn)生的原因，這里主要指中斷源信號丟失或過于頻繁;而內因又可分為硬件原因和軟件原因，硬件原因主要由所用嵌入式器件的中斷嵌套能力所致，軟件原因主要由開發(fā)者編程時對任務中斷優(yōu)先級設置錯誤以及任務處理不當所致。

例如，中斷0是一個高優(yōu)先級中斷，而中斷1是一個低優(yōu)先級中斷，則由高優(yōu)先級中斷激活的中斷服務程序不能被低優(yōu)先級的中斷打斷。于是，對第二個中斷的響應將被延遲，甚至在一些情況下它有被完全忽略的可能。

如果多個中斷源可能在“隨機的”時間間隔產(chǎn)生中斷，則中斷響應可能被遺漏。實際上，在同時有幾個有效的中斷源的情況下，幾乎不可能創(chuàng)建程序代碼來正確地處理所有可能的中斷組合。并且同時處理多個事件不但增加了系統(tǒng)復雜性，而且降低了系統(tǒng)在所有情況下的行為預測能力。至于使用效率，Metzner討論并得出結論：一個包含27個任務、采用RM調度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實際利用率僅為18%.

3.2 時間觸發(fā)方式的優(yōu)勢

在該系統(tǒng)中，設計人員能夠通過仔細安排可控的順序，保證一次只處理一個事件。它的可預測性使其成為安全相關的系統(tǒng)的首選。

Kopetz首先提出：使用基于時間觸發(fā)的合作式調度器會使得系統(tǒng)有非常好的可預測性。除可提高可靠性之外，使用該方式有助于減輕CPU的負荷及存儲器的使用量。

4.時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)的設計

在該調度器中，定時器的設置被分離出來，并使之不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型以及處理器的位數(shù)，通過修改該部分可以輕松移植到多種硬件平臺。