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这种程序规模较小、功能单一、智能化程度低,而且多是采用汇编语言编写的线性程序。它虽然具有代码精炼,某些关键操作执行效率高的优点,但是延长了编程时间,难以保证系统所有任务对实时性的要求。某个任务的响应时间取决于后台循环执行的时间。循环过程中,程序需要根据不同的状态和方式(中断服务子程序或用户的设置可能改变这些状态和运行方式),决定程序的走向,所以每次循环的执行时间不同。某一任务的真正响应要等到循环顺序执行完前面所有的任务之后,既不及时,时间也不确定。同时,程序的可读性很差,调试困难,维护也比较困难。
3.1.2 实时多任务系统
对于一个复杂的嵌入式实时系统而言,当采用中断处理程序和一个后台主程序软件结构难以实时、准确、可靠地完成任务时,或存在一些互不相关的过程需要在一个计算机中同时处理时,就需要采用实时多任务系统。随着应用的复杂化,一个嵌入式控制系统可能要同时控制或监视很多外设,有严格的实时响应要求,需要处理任务比较多,各个任务之间有多种信息需要实时传递,如果仍采用原来的程序设计方法将存在两个问题:一是中断可能得不到及时响应,处理时间过长,这对实时控制场合是不允许的,对于网络通信而言则会降低系统整体的信息流量;二是系统任务多要考虑各种可能出现的情况(尤其在任务使用共享资源时,如果任务调度不当就可能导致系统死锁,从而降低软件可靠性,导致程序编写任务量成倍增加)。为降低系统的复杂性,保证系统的实时性,可维护性是必不可少的。
实时多任务系统的实现必须有实时多任务操作系统的支持。操作系统主要完成任务切换、任务调度、任务间的通信、同步、互斥、实时时钟管理以及中断管理。实时多任务系统实际上是由多个任务、多个中断处理过程和实时操作系统组成的有机整体。每个任务是顺序执行的,并以并行性的方式通过操作系统完成,任务间的相互通信和同步需要操作系统的支持。使用实时多任务系统的微机保护程序机制如图3所示。
图3使用RTOS的微机保护程序机制
继电保护对实时性要求较高,任务较多,故本文提出基于ARM9和μC/OS-Ⅱ的微机保护核心平台。
3.2 μC/OS-Ⅱ性能分析及其在AT91 RM9200中的移植
3.2.1 μC/OS-Ⅱ性能分析
实时系统主要通过三个性能指标来衡量系统的实时性,即响应时间(Response Time)、生存时间(Survival Time)和吞吐量(Throughput):响应时间:是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间;
生存时间:是数据的有效等待时间,数据只有在这段时间内才是有效的;
吞吐量:是在给定的时间内系统能够处理的事件总数,吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。
其中响应时间是系统实时性最直观、最重要的指标。而系统响应时间与任务切换时间、中断延迟和调度延迟都有关系。μC/OS-Ⅱ的中断处理程序中不需要关中断,它的关中断主要发生在一些原子操作和代码临界区保护的时候,并且都非常短,因此μC/OS-Ⅱ的中断延迟很短。
μC/OS-Ⅱ是基于优先级的“可剥夺”式内核,而且内核的调度算法非常简单,因此μC/OS-Ⅱ调度延迟比较短且可以预测适应实时应用的要求。
关于上下文切换时间,由于μC/OS-Ⅱ的任务都有单独的堆栈,因而任务的切换操作非常简单,由10多条CPU指令就可完成,因此μC/OS-Ⅱ任务切换产生的延迟很小且是可以预测的。
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