實(shí)時操作系統(tǒng) (RTOS) 現(xiàn)在包含在許多嵌入式應(yīng)用程序中，它們可以顯著簡化系統(tǒng)中的時間和任務(wù)管理，并有助于提高可擴(kuò)展性和可維護(hù)性(如果應(yīng)用程序設(shè)計正確)。RTOS 應(yīng)用程序嵌入式開發(fā)人員面臨著幾個共同的挑戰(zhàn)。讓我們檢查這些挑戰(zhàn)并討論一些潛在的解決方案。
挑戰(zhàn) #1 – 選擇任務(wù)優(yōu)先級
事實(shí)證明，有幾種不同的方法來選擇任務(wù)優(yōu)先級。首先，有最短的響應(yīng)時間。在這種方法中，開發(fā)人員檢查每個任務(wù)的響應(yīng)時間要求，并將最高優(yōu)先級分配給具有最短響應(yīng)時間要求的任務(wù)。
其次，有最短作業(yè)優(yōu)先方法。在這種方法中，開發(fā)人員檢查任務(wù)的執(zhí)行時間，執(zhí)行時間最短的任務(wù)是最高優(yōu)先級(顯然其次是下一個最高優(yōu)先級，依此類推)。
最后，還有一種在實(shí)時嵌入式系統(tǒng)中最常用的方法，即最短周期優(yōu)先或更常用的“速率單調(diào)調(diào)度(RMS)”。在這種方法中，周期最短的任務(wù)優(yōu)先級最高。
遵循 RMS 將使你完成 95% 的任務(wù)，然后通常會有一個奇怪的任務(wù)，或者是非周期性的，需要優(yōu)先級分配。這些非周期性任務(wù)可以分配一個最壞情況周期，也可以根據(jù)它們的重要性、執(zhí)行時間或是否需要在另一個可能需要其數(shù)據(jù)的任務(wù)之前運(yùn)行來分配它們。(請記住，任務(wù)優(yōu)先級沒有正確或錯誤的答案，只有可能比其他系統(tǒng)運(yùn)行得更好或更高效的系統(tǒng))。
挑戰(zhàn)#2 — 用數(shù)據(jù)流圖看大圖
嵌入式開發(fā)人員在實(shí)施他們的 RTOS 應(yīng)用程序時并沒有真正了解數(shù)據(jù)是從哪里產(chǎn)生的、去往何處以及如何到達(dá)那里的，這會導(dǎo)致軟件有點(diǎn)像糟亂的代碼，并且隨著更多應(yīng)用程序的部署，經(jīng)常需要不斷地返工。盡量減少這種返工并了解整個應(yīng)用程序的方法是開發(fā)一個簡單的數(shù)據(jù)流圖。該圖包含幾個關(guān)鍵組件：
數(shù)據(jù)生產(chǎn)者
數(shù)據(jù)消費(fèi)者
數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制
存儲機(jī)制
任務(wù)協(xié)調(diào)機(jī)制
擁有此數(shù)據(jù)流圖可以回答有關(guān)應(yīng)用程序設(shè)計的許多問題，并避免將大量時間浪費(fèi)在返工或調(diào)試上。
挑戰(zhàn) #3 – 正確保護(hù)共享內(nèi)存
互斥鎖用于保護(hù)共享內(nèi)存資源，但在實(shí)現(xiàn)中，經(jīng)常有嵌入式開發(fā)人員將互斥鎖與受保護(hù)的數(shù)據(jù)分開創(chuàng)建。雖然乍一看這似乎沒問題，但問題是如果互斥鎖是獨(dú)立于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建的，并且有人去使用該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們可能不會意識到它是一個共享和受保護(hù)的資源。(是的，文檔、設(shè)計和許多其他東西應(yīng)該使這一點(diǎn)顯而易見，但如果單獨(dú)聲明它很容易被忽視)。
解決方案是將共享內(nèi)存視為一個對象，并將互斥鎖作為共享內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分。例如，共享內(nèi)存可能有來自濕度、溫度和電流傳感器的數(shù)據(jù)。我們通常可以如下聲明數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)：
typedef struct
{
uint16_t Humidity;
uint16_t Temperature;
uint16_t Current;
}SensorData_t;
同樣，單獨(dú)聲明的互斥鎖可能會使數(shù)據(jù)共享變得不那么明顯。相反，我們可以定義如下結(jié)構(gòu)：
typedef struct
{
mutex_t SensorDataMutex;
uint16_t Humidity;
uint16_t Temperature;
uint16_t Current;
}SensorData_t
現(xiàn)在，每當(dāng)開發(fā)人員查看數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、嘗試執(zhí)行自動完成等操作時，都會提醒他們這是受保護(hù)的數(shù)據(jù)。當(dāng)他們看到它被保護(hù)時，它應(yīng)該提醒他們在訪問數(shù)據(jù)之前，他們需要獲取互斥鎖。
開發(fā)人員經(jīng)常忘記，僅僅因?yàn)閯?chuàng)建互斥鎖是為了保護(hù)數(shù)據(jù)，并不能保證互斥鎖將用于訪問數(shù)據(jù)。(這也是為什么將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)視為一個對象并創(chuàng)建限制對數(shù)據(jù)資源的訪問和控制的函數(shù)很有用，這些數(shù)據(jù)資源在應(yīng)用程序級別抽象出互斥鎖)。
實(shí)時操作系統(tǒng)可以簡化嵌入式系統(tǒng)的時間和資源管理。但是，RTOS 確實(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，可能會產(chǎn)生影響開發(fā)計劃和代碼質(zhì)量的意想不到的挑戰(zhàn)。在今天的文章中，我們研究了嵌入式開發(fā)人員經(jīng)常遇到的幾個常見挑戰(zhàn)，通過遵循一些最佳實(shí)踐可以很容易地克服這些挑戰(zhàn)。