uCOS-II在車載GPS移動終端中的應(yīng)用

一、             統(tǒng)概述

目前市場上的商用嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，如Vxwork、PSOS和Windows CE等已經(jīng)十分成熟，提供有力的開發(fā)和調(diào)試工具，但開發(fā)成本昂貴，而uCOS-II是一種多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)核源代碼公開，短小精干，移植性較強(qiáng)，非常適用于一些小型系統(tǒng)開發(fā)。本系統(tǒng)描述了如何將uCOS-II移植應(yīng)用到MCS51系列單片機(jī)上，并論述了如何把它實(shí)際應(yīng)用到“嵌入式設(shè)備—車載GPS”系統(tǒng)中。

1、  uCOS-II簡介

實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II是基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步（信號量，郵箱，消息隊(duì)列）和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語言寫成，與硬件相關(guān)部分用匯編語言編寫，而且它的源代碼是公開免費(fèi)的。

uCOS-II是面向中小型嵌入式系統(tǒng)的，包含全部功能模塊的內(nèi)核大約為10K，如果經(jīng)過裁減只保留核心代碼，則可壓縮到3K左右。RAM的占用量與系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)有關(guān)，任務(wù)的堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務(wù)的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套層數(shù)。應(yīng)用程序的時(shí)間精度由系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍決定，uCOS-II需要用戶提供周期性的時(shí)鐘信號源，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)間延時(shí)和確認(rèn)超時(shí)，一般時(shí)鐘節(jié)拍應(yīng)在10到100HZ之間（最大精度為10ms），因?yàn)閡COS-II在每一個(gè)節(jié)拍都要檢查有沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)在等待執(zhí)行，若有，就要進(jìn)行任務(wù)切換，所以時(shí)鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負(fù)荷就越重。

2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

本車載移動終端主要完成以下這些控制功能：

（1）位置及相關(guān)信息傳送，包括實(shí)時(shí)請求發(fā)送、等時(shí)間間隔發(fā)送、等距離發(fā)送，傳送方式包括GPRS方式和短信方式，由于用GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊按流量記費(fèi)，每1K字節(jié)2-3分錢，費(fèi)用相對短信低很多，因此本系統(tǒng)采用GPRS為主，短信為輔的通訊方式。

（2）報(bào)警功能，分以下幾部分：

A、特定區(qū)域報(bào)警功能：設(shè)定報(bào)警特定區(qū)域后（如控制中心規(guī)定的行駛?cè)蝿?wù)區(qū)域），當(dāng)車輛駛出設(shè)定區(qū)域時(shí)，監(jiān)控中心向車載單元報(bào)警，并及時(shí)記錄車輛的實(shí)時(shí)位置信息。

B、緊急報(bào)警功能：當(dāng)車輛遇到搶劫、交通事故等緊急情況時(shí)，司機(jī)可以通過緊急求救按鈕向控制中心發(fā)出求救信號，并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

C、防盜報(bào)警功能：當(dāng)車輛設(shè)為防盜狀態(tài)時(shí)，任何對車輛的非法移動，車載單元會自動報(bào)警并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

D、掉電報(bào)警功能：當(dāng)車載單元主電源掉電（或被人為切斷）時(shí)，車載單元會自動報(bào)警并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

E、能自動報(bào)警與手動報(bào)警相結(jié)合：系統(tǒng)支持手動的單鍵報(bào)警和智能設(shè)備產(chǎn)生的自動報(bào)警功能。單鍵人工報(bào)警需要司機(jī)進(jìn)行快速隱蔽的單鍵操作快速報(bào)警。自動報(bào)警如智能非法移動報(bào)警，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報(bào)警信息并發(fā)送到監(jiān)控中心，并保存報(bào)警數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心的人員可以根據(jù)需要采取措施。

（3）電源監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控備用電源，如果發(fā)現(xiàn)電量不夠，將自動切換到充電模式，直到電量充足后自動切斷充電模式。

3、  系統(tǒng)的功能塊

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，有外向內(nèi)可分三層：硬件電路層、任務(wù)層、操作系統(tǒng)層。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、硬件電路層設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的移動終端主要包括以下四個(gè)部分組成：GPS模塊、GPRS模塊、手柄、單片機(jī)控制模塊，其大致功能分述如下：

（1）       GPS模塊——用于衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集，采集時(shí)間間隔可設(shè)定，最小間隔為1秒采集一次。

（2）       GPRS通信模塊——用于實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)、短信息收發(fā)和語音通話功能。

（3）       手柄——用于語音通話。

（4）       單片機(jī)控制模塊——用于控制GPS、GPRS模塊的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、語音通話控制、短信息收發(fā)、電源監(jiān)測管理和對汽車進(jìn)行控油控電等功能。

三、任務(wù)層的設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)任務(wù)層組成及其優(yōu)先權(quán)設(shè)置

系統(tǒng)任務(wù)層并行存在以下六個(gè)任務(wù)：監(jiān)視任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、摘掛機(jī)任務(wù)、GPRS任務(wù)、短消息任務(wù)、串口接收任務(wù)。每個(gè)任務(wù)均有以下三部分組成：應(yīng)用程序、任務(wù)堆棧以及任務(wù)控制塊。其中只有應(yīng)用程序被燒入ROM,而任務(wù)本身則被置于RAM，待系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)再建立。任務(wù)堆棧用以存儲CPU寄存器內(nèi)容。當(dāng)某任務(wù)由運(yùn)行態(tài)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)時(shí)，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應(yīng)任務(wù)堆棧，反之則將相應(yīng)任務(wù)堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器。作為系統(tǒng)中定義的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)控制塊的內(nèi)容包括任務(wù)堆棧的地址、任務(wù)當(dāng)前狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先權(quán)等。操作系統(tǒng)通過查詢?nèi)蝿?wù)控制塊內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的管理。

優(yōu)先權(quán)的設(shè)置由各任務(wù)的執(zhí)行順序以及對系統(tǒng)安全性影響的大小決定，其優(yōu)先權(quán)從高到低依次為：監(jiān)視任務(wù)、按鍵處理任務(wù)、摘掛機(jī)任務(wù)、GPRS任務(wù)、短消息任務(wù)、串口接收任務(wù)。本系統(tǒng)采用靜態(tài)優(yōu)先權(quán)設(shè)置，即運(yùn)行過程中任務(wù)優(yōu)先權(quán)不變。

2、  任務(wù)的狀態(tài)

本系統(tǒng)中各任務(wù)的狀態(tài)有4種：等待態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)以及中斷態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。當(dāng)一個(gè)任務(wù)占用CPU時(shí)該任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)，其優(yōu)先權(quán)必較所有就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)高。若系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致就緒態(tài)某一任務(wù)的優(yōu)先權(quán)高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)，則調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運(yùn)行態(tài)任務(wù)將喪失對CPU的占用權(quán)而轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。某一時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。任務(wù)在就緒態(tài)和運(yùn)行態(tài)間的轉(zhuǎn)化被稱為任務(wù)切換。當(dāng)運(yùn)行態(tài)的任務(wù)期待某一消息時(shí)（即任務(wù)和任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞），該任務(wù)將喪失對CPU的占用權(quán)而轉(zhuǎn)為等待態(tài)，等待時(shí)間可由系統(tǒng)設(shè)定。若等待時(shí)間內(nèi)該任務(wù)收到消息，任務(wù)將轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，否則將被時(shí)間管理函數(shù)強(qiáng)行轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。中斷發(fā)生時(shí)運(yùn)行態(tài)的任務(wù)將轉(zhuǎn)入中斷態(tài)，喪失對CPU的占用權(quán)。因中斷中可能有消息發(fā)送使等待態(tài)的任務(wù)轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，故中斷返回后將首先運(yùn)行任務(wù)調(diào)度函數(shù)，決定任務(wù)狀態(tài)。