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是一種多任務實時操作系統(tǒng)，內(nèi)核源代碼公開，短小精干，移植性較強，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移植應用到MCS51系列單片機上，并論述了如何把它實際應用到“嵌入式設備—車載GPS”系統(tǒng)中。

1、  uCOS-II簡介

實時嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-II是基于優(yōu)先級的搶占式實時多任務操作系統(tǒng)，包含了實時內(nèi)核、任務管理、時間管理、任務間通信同步（信號量，郵箱，消息隊列）和內(nèi)存管理等功能。絕大部分代碼用C語言寫成，與硬件相關部分用匯編語言編寫，而且它的源代碼是公開免費的。

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)中的任務數(shù)有關，任務的堆棧要占用大量的RAM空間，堆棧的大小取決于任務的局部變量、緩沖區(qū)大小及可能的中斷嵌套層數(shù)。應用程序的時間精度由系統(tǒng)時鐘節(jié)拍決定，uCOS-II需要用戶提供周期性的時鐘信號源，用于實現(xiàn)時間延時和確認超時，一般時鐘節(jié)拍應在10到100HZ之間（最大精度為10ms），因為uCOS-II在每一個節(jié)拍都要檢查有沒有更高優(yōu)先級的任務在等待執(zhí)行，若有，就要進行任務切換，所以時鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負荷就越重。

2、系統(tǒng)的設計目標

本車載移動終端主要完成以下這些控制功能：

（1）位置及相關信息傳送，包括實時請求發(fā)送、等時間間隔發(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方式進行數(shù)據(jù)通訊按流量記費，每1K字節(jié)2-3分錢，費用相對短信低很多，因此本系統(tǒng)采用GPRS為主，短信為輔的通訊方式。

（2）報警功能，分以下幾部分：

A、特定區(qū)域報警功能：設定報警特定區(qū)域后（如控制中心規(guī)定的行駛任務區(qū)域），當車輛駛出設定區(qū)域時，監(jiān)控中心向車載單元報警，并及時記錄車輛的實時位置信息。

B、緊急報警功能：當車輛遇到搶劫、交通事故等緊急情況時，司機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、防盜報警功能：當車輛設為防盜狀態(tài)時，任何對車輛的非法移動，車載單元會自動報警并上傳車輛定位數(shù)據(jù)。

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

E、能自動報警與手動報警相結合：系統(tǒng)支持手動的單鍵報警和智能設備產(chǎn)生的自動報警功能。單鍵人工報警需要司機進行快速隱蔽的單鍵操作快速報警。自動報警如智能非法移動報警，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報警信息并發(fā)送到監(jiān)控中心，并保存報警數(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，實時監(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)結構圖如圖1所示，有外向內(nèi)可分三層：硬件電路層、任務層、操作系統(tǒng)層。

圖1 系統(tǒng)結構圖

二、硬件電路層設計

本系統(tǒng)的移動終端主要包括以下四個部分組成：GPS模塊、GPRS模塊、手柄、單片機控制模塊，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，采集時間間隔可設定，最小間隔為1秒采集一次。

（2）       GPRS通信模塊——用于實現(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)測管理和對汽車進行控油控電等功能。

三、任務層的設計

1、系統(tǒng)任務層組成及其優(yōu)先權設置

系統(tǒng)任務層并行存在以下六個任務：監(jiān)視任務、按鍵處理任務、摘掛機任務、GPRS任務、短消息任務、串口接收任務。每個任務均有以下三部分組成：應用程序、任務堆棧以及任務控制塊。其中只有應用程序被燒入ROM,而任務本身則被置于RAM，待系統(tǒng)運行時再建立。任務堆棧用以存儲CPU寄存器內(nèi)容。當某任務由運行態(tài)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)時，CPU寄存器內(nèi)容壓入相應任務堆棧，反之則將相應任務堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器。作為系統(tǒng)中定義的一個數(shù)據(jù)結構，任務控制塊的內(nèi)容包括任務堆棧的地址、任務當前狀態(tài)、任務優(yōu)先權等。操作系統(tǒng)通過查詢?nèi)蝿湛刂茐K內(nèi)容實現(xiàn)對任務的管理。

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

2、  任務的狀態(tài)

本系統(tǒng)中各任務的狀態(tài)有4種：等待態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)以及中斷態(tài)。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關系如圖2所示。當一個任務占用CPU時該任務處于運行態(tài)，其優(yōu)先權必較所有就緒態(tài)任務優(yōu)先權高。若系統(tǒng)運行導致就緒態(tài)某一任務的優(yōu)先權高于運行態(tài)任務優(yōu)先權，則調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運行態(tài)任務將喪失對CPU的占用權而轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，優(yōu)先權最高的就緒態(tài)任務轉(zhuǎn)為運行態(tài)。某一時刻只能有一個任務處于運行態(tài)。任務在就緒態(tài)和運行態(tài)間的轉(zhuǎn)化被稱為任務切換。當運行態(tài)的任務期待某一消息時（即任務和任務之間的數(shù)據(jù)傳遞），該任務將喪失對CPU的占用權而轉(zhuǎn)為等待態(tài)，等待時間可由系統(tǒng)設定。若等待時間內(nèi)該任務收到消息，任務將轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，否則將被時間管理函數(shù)強行轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。中斷發(fā)生時運行態(tài)的任務將轉(zhuǎn)入中斷態(tài)，喪失對CPU的占用權。因中斷中可能有消息發(fā)送使等待態(tài)的任務轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，故中斷返回后將首先運行任務調(diào)度函數(shù)，決定任務狀態(tài)。

四、軟件層設計

本系統(tǒng)選用μC/OS-II操作系統(tǒng)，將其移植到MCS51系列單片機上。系統(tǒng)采用的時鐘節(jié)拍為Tick=50次/秒(即0.02秒/次)，在main中創(chuàng)建所有任務和信號量、消息油箱、消息隊列等。

void main (void)

{
OSInit()；

3、  摘掛機任務

當拿起聽筒或放下聽筒時，就產(chǎn)生中斷。在中斷中，調(diào)用OSSemPost(HookSem)來喚醒摘/掛機任務，同時清除中斷標志。摘掛機任務調(diào)用OSSemPend(HookSem,0,&err)來獲得信號量。獲得信號量后，根椐摘掛機狀態(tài)標志來判斷是摘機還是掛機。在掛機的時候，如果先前是在響鈴的時候摘機的，那么摘掛機任務把它當做已接來電處理；如果不是在響鈴的時候摘機的，那么在掛機的時候摘掛機任務就把它當做已撥電話處理。

4、  GPRS任務

當讀串口任務接收到GPRS數(shù)據(jù)時，調(diào)用OSQPost(GprsQ,(void *)&Gprs_Buf[0])函數(shù)向來喚醒GPRS任務，GPRS任務不斷調(diào)用gprs_msg =OSQPend(GprsQ,50,&err)來獲得從讀串口任務中發(fā)來的GPRS數(shù)據(jù)，根據(jù)當前的狀態(tài)決定是否向控制中心發(fā)送定位數(shù)據(jù)及相關信息。

5、  短消息處理任務

在GPRS網(wǎng)絡不可用的情況下，系統(tǒng)啟動短消息任務進行數(shù)據(jù)的通信，當讀串口任務接收到短消息時，調(diào)用OSQPost(SMsgQ,(void *)&SMsg_Buf[0])向短信息任務發(fā)送消息，短信息任務不斷調(diào)用sm_msg =OSQPend(SMsgQ,100,&err)來獲得短消息，然后進行相應的短信收發(fā)處理。

6、  讀串口任務

在讀串口任務中，從接收緩沖區(qū)中讀取來自GPRS通訊模塊和GPS模塊發(fā)送的字符串，同時分析接收的字符串坐相應的處理以及向GPRS任務和短消息任務發(fā)送消息。

結語

本文描述了在MCS51的硬件平臺上實現(xiàn)uC/OS-II，并針對傳統(tǒng)的單片機程序設計方法設計的穩(wěn)定性不佳的問題，提出了基于uC/OS-II的嵌入式系統(tǒng)設計的方案。但是，使用實時內(nèi)核來管理這些任務，會增加系統(tǒng)的內(nèi)存容量和CPU時間的消耗，而且任務調(diào)度的優(yōu)勢不能很好地顯示出來，因此，該設計有一定局限性。但是，在系統(tǒng)的內(nèi)存足夠大、CPU運行速度足夠快的情況下，使用實時內(nèi)核uC/OS-II設計，可以提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的后繼開發(fā)，本系統(tǒng)選用CPU為W78E516，外擴32K RAM,晶振頻率為22.1184M，能很好的滿足系統(tǒng)的要求。

//創(chuàng)建信號量、消息隊列；

HookSem = OSSemCreate(0); //喚醒摘掛機任務

GprsQ = OSQCreate(&GprsMsg[0],10);

SMsgQ = OSQCreate(&SMsg[0],5);

//創(chuàng)建內(nèi)存區(qū)域；

Mem20 = OSMemCreate(Part1,20,50,&err);

Mem50 = OSMemCreate(Part2,100,10,&err);

//任務創(chuàng)建；

OSTaskCreate(WatchDogTask,(void*)0,&WatchDogStk[0],2)； //監(jiān)視任務

OSTaskCreate((void*) KeyTask,(void*)0,&KeyTaskStk[0],3)； //按鍵處理任務

OSTaskCreate((void*)WriteTask,(void*)0,&WriteStk[0],4)； //摘掛機任務

OSTaskCreate((void*)GPRSTask,(void*)0,&GPRSStk[0],5)； //GPRS任務

OSTaskCreate((void*)SMsgTask,(void*)0,&SMsgStk[0],6)； //短信息任務

OSTaskCreate(ReadTask, (void *)0, &ReadStk[0],7)； //讀串口任務

OSStart()；

}

1、監(jiān)視任務

因本系統(tǒng)工作于干擾強烈的汽車環(huán)境中，雖已采取多種硬件抗干擾措施如加屏蔽罩、可靠接地、設置軟件陷阱等，仍有可能因瞬間擾動使系統(tǒng)陷入混亂，導致系統(tǒng)跑飛而只能依靠看門狗復位重新運行，以致無法實現(xiàn)設計目標。為此，本系統(tǒng)采用監(jiān)視任務監(jiān)督其它任務是否正常運行，若某一任務未能正常運行則采取相應措施以盡量減少看門狗復位次數(shù)。

監(jiān)視任務設計思路為：被監(jiān)視任務正常運行時其執(zhí)行時間是可預估的，被監(jiān)視任務在其即將運行完畢時向監(jiān)視任務發(fā)送消息說明自身運行正常。被監(jiān)視任務運行時，監(jiān)視任務處于等待態(tài)，等待被監(jiān)視任務給它發(fā)送消息，等待時間被設定為預計的任務正常運行所需的最大時間。若等待時間內(nèi)監(jiān)視任務收到消息，則認為發(fā)送消息的任務運行正常，依照各任務執(zhí)行順序的先后下一任務開始運行，監(jiān)視任務等待下一任務發(fā)送的消息。若等待時間已過，監(jiān)視任務仍未收到消息，則系統(tǒng)的時間管理函數(shù)將強行把監(jiān)視任務視為就緒態(tài)。因監(jiān)視任務的優(yōu)先權是最高的，它將搶占對CPU的控制權并采取相應的糾錯方案。

2、  按鍵處理任務

按鍵處理任務主要對防盜報警、搶車報警、打接電話按鈕進行處理，當任務循環(huán)檢測到按鍵按下時，按鍵處理任務發(fā)送相應的信號量到處理相應按鍵的程序中。