一些嵌入式設(shè)備可以需要操作系統(tǒng),，例如掌上電腦、PDA,、網(wǎng)絡(luò)控制器等高性能的手持設(shè)備和移動設(shè)備,。它們往往和無線通信、互聯(lián)網(wǎng)訪問和多媒體處理等復雜而強大的功能聯(lián)系在一起,；對CPU要求也很高,，往往是以通用CPU為原型的各種高端嵌入式處理器。

    作為一個完整的操作系統(tǒng),，RTOS有一個可靠性很高的實時內(nèi)核,，將CPU時間、中斷,、I/O,、定時器等資源都包括起來，留給用戶一個標準的應(yīng)用程序接口（API）,；根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級,，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU的時間，保證程序執(zhí)行的實時性,、可靠性,。內(nèi)核一般都能提供任務(wù)調(diào)度和中斷服務(wù)等功能，部分高檔商業(yè)化產(chǎn)品,，如Windows XP Embedded,，甚至支持32位地址空間、虛擬存儲管理、多進程以及嵌入式操作系統(tǒng)中不多見的動態(tài)鏈接庫（DLL）,。對于這些RTOS來說,，多任務(wù)實時處理不是件困難的事情。

     但更多的情況下,，用戶使用的是另一類CPU——微控制器,，即單片機，往往是按照某一流程執(zhí)行單一任務(wù),。出于成本和技術(shù)上的原因,，這類軟件開發(fā)多數(shù)還是基于處理器直接編寫，沒有選配實時多任務(wù)操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺,，也不需要將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件分開處理,。但是在實際應(yīng)用中，有時也會面臨同時處理多個并行任務(wù)的要求,，這就需要安排一種運行機制,，來模擬RTOS中的處理方法。

1 RTOS中的設(shè)計思想

單處理機多道程序系統(tǒng)具有如下特征：

①從宏觀上看,，幾種程序“同時運行”,。即它們先后開始了各自的運行，且均未結(jié)束,。

②從微機上看,，幾道程序“交替執(zhí)行”。對于單處理機系統(tǒng)而言,，它們只能輪流地占用CPU,。

    其實質(zhì)是指幾道程序在處理機中“交替執(zhí)行”。我們按照現(xiàn)在常用的方法,，把一道程序和一個任務(wù)對應(yīng),，把任務(wù)中的每個分開的、獨立執(zhí)行的部分稱之為線程,。

    具體到RTOS來說,，一方面，實時操作中的多任務(wù)引起的并發(fā)性和實時性,，要求操作系統(tǒng)對資源分配具有更強的控制能力,。通常的辦法是采取設(shè)立前臺與后臺兩個作業(yè)的分配辦法。前臺作業(yè)中包含實時采集,、控制,、處理有關(guān)的任務(wù)，任務(wù)優(yōu)先級較高,；后臺作業(yè)一般是對數(shù)據(jù)進行分析,、輸出數(shù)據(jù),、響應(yīng)操作員請求等任務(wù)，優(yōu)先級較低,。后臺作業(yè)中與后臺作業(yè)并非完全孤立的,；后臺作業(yè)所需數(shù)據(jù)由前臺作業(yè)存儲共享內(nèi)存區(qū)內(nèi)，作業(yè)之間通過共享存儲區(qū)進行數(shù)據(jù)交換,。

    另一方面,，實時任務(wù)總是由某個事件發(fā)生或時間條件滿足來激活。事件有兩種：內(nèi)部事件和外部事件,。時間驅(qū)動也有兩種：按絕對時間驅(qū)動和按相對時間驅(qū)動,。內(nèi)部事件驅(qū)動是指某一程序運行的結(jié)果導致另一任務(wù)的啟動，這個結(jié)果可能是數(shù)據(jù)滿足一定條件,，也可能是釋放了某一資源,；而最典型的實時任務(wù)是由外部事件驅(qū)動的。在實時系統(tǒng)中,，外部事件發(fā)生有時是不可預(yù)測的,，由外部事件驅(qū)動的任務(wù)一般是需要立即執(zhí)行的任務(wù)，它的優(yōu)先級最高,。絕對時間驅(qū)動是指在某指定時刻執(zhí)行的任務(wù),，也就是在自然時鐘的絕對時間執(zhí)行。相對時間驅(qū)動是指周期性執(zhí)行的任務(wù),，總是相對上一次執(zhí)行時間計時,，執(zhí)行時間間隔一定。除了周期性任務(wù)外,，還有一些同步任務(wù)也可能由相對時間驅(qū)動，如等待某種條件到來,。等待時間是編程設(shè)定的,。相對時間可用計算機內(nèi)部時鐘或軟件計時。

我們在實時設(shè)計當中,，這兩方面的問題都有所體現(xiàn),，所有的事件驅(qū)動和時間驅(qū)動都體現(xiàn)在設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)標識和線程標識。從后面的討論中可以看出,，當硬件環(huán)境一定時,，依據(jù)這些標識，通過安排系統(tǒng)內(nèi)中斷響應(yīng)方式和調(diào)整任務(wù)調(diào)度算法,，可以有效解決多任務(wù)并行問題,，因為系統(tǒng)的實時性主要取決于這兩點。

2 多任務(wù)多線程機制的實現(xiàn)

    我們設(shè)計的對象是雙通道和四通道測試的某型醫(yī)用檢驗設(shè)備,。每個通道可以置入樣本,，設(shè)置不同的測試項目,，完成測試后輸出不同的測試結(jié)果和附加的計算結(jié)果。

    常規(guī)的處理方法是這樣的：和通道只能測試同一個項目,，按統(tǒng)一步驟同步執(zhí)行各任務(wù)的相同階段,，其處理示意如圖1。為簡化起見,，我們用雙通道進行說明,。

    顯然，這樣做不僅會失去測試的靈活性,，例如不能同時測量不項目,，不過隨意在不同通道中測試不同版本，即使有空余通道也不能在上一樣本測試過程中啟動下一樣本的測試,；而且還犧牲效率,，浪費時間，因為要等每個階段最慢的一個處理完才能進入下一階段,。這其實是單任務(wù)的多次簡單重復,，設(shè)計也容易。國內(nèi)很多類似產(chǎn)品采用了這種方案,，但我們放棄了,。

    我們選擇了安全并行的設(shè)計，即要求所有通道可以完全獨立工作,；任意啟動和停止,；彼此沒有約速；時間上可以任意重疊,；是幾個獨立的任務(wù),，如圖2。

    這里我們把每一個啟動通道進行測試的程序叫做一個任務(wù),，把各自任務(wù)下的每一個單獨的,、分開處理的程序段叫做一個線程，每個線程依靠自己的標識來識別,。一個通道的測試任務(wù)可分為啟動,、設(shè)置、加樣品,、預(yù)溫計時,、加試劑與攪拌、通道輪流采樣,、數(shù)據(jù)處理和作圖打印等多個線程,。另外，有一個溫度的實時監(jiān)控獨立線程,，它的優(yōu)先級要次于通道的測試采樣,。

      這些線程可分屬于前臺和后臺兩類：前臺主要是一些中斷的處理,，例如兩路溫度的實時監(jiān)控、每100ms內(nèi)的各通道循環(huán)檢測一遍,、采用中斷方式的鍵盤干預(yù)等,；后臺主要是掃描方式下響應(yīng)操作員的按鍵請求、數(shù)據(jù)處理,、圖形顯示,、打印報告等內(nèi)容。

    整個實現(xiàn)機制可以簡單地概括如下：前臺通過合理安排中斷的響應(yīng)和服務(wù)方式來對多個任務(wù)的實時線程進行處理,；后臺操作主要以循環(huán)方式掃描各個任務(wù)的線程標識,，滿足條件的線程被激活予以處理。

    限于篇幅,，不可能詳細介紹整個設(shè)計方案,，在此只能給出各測試通道工作任務(wù)的前臺和后臺線程劃分及流程，供參考,。然后,，給出一個中斷退出后返回到任意地址的函數(shù)，它比C51自己的setjmp和longjmp全程跳轉(zhuǎn)函數(shù)的使用要方便很多,。實時任務(wù)中,，中斷服務(wù)結(jié)束后不是返回到斷點地址執(zhí)行原有程序，而是強制返回到某一地址執(zhí)行新程序的情況非常普遍,。我們采用設(shè)置環(huán)境變量的方法,，使中斷退出后可以任意返回到多個設(shè)置入口中的某一個去執(zhí)行，有效地解決了前臺和后臺任務(wù)線程的靈活切換這一關(guān)鍵問題,。我們使用的CPU是97C52,，編程語言為Keil C51 6.0版。

    圖3是主定時器中斷服務(wù),，12C887提供中斷請求信號至int0,。12C887的三個中斷觸發(fā)服務(wù)中，溫度掃描是獨立線程,，四次500ms“周期中斷”（即每2s）后執(zhí)行一遍,；需要屏幕顯示預(yù)溫侄計時的時候使用“更新中斷”,，每秒一次,，各測試任務(wù)，其倒計時線程依靠各自的標識啟動和停止,；“報警中斷”需要時設(shè)置為每分鐘1次,，用于主菜單界面顯示當前時間和長定時的返回。

    圖4是CPU內(nèi)部定時器0的中斷服務(wù),，用于A/D轉(zhuǎn)換,。每個測試任務(wù)的A/D分為兩個線程：檢測試劑加入和測試劑樣品的反應(yīng)曲線,，雖然都是通過對光學傳感器和輸出進行檢測的，但處理方法完全不同,，數(shù)據(jù)量也很不一樣,。定時器0設(shè)定為每100ms中斷1次，因為要用高精度∑-Δ轉(zhuǎn)換器件,，CPU必須直接控制器件的整個轉(zhuǎn)換過程,，所以，要注意所有通道輪掃一遍A/D的時間不能超過100ms,。

    圖5為后臺流程,。后臺程序依靠通道按鍵啟動一個測試任務(wù)，然后進行該任務(wù)預(yù)處理,，類似初始化的一些功能,。如果這期間又啟動別的任務(wù)，則未初始化完的先前任務(wù)中止,。
   

初始化完成后進入多任務(wù)所屬線程的循環(huán)處理階段,，其間可以隨時由通道按鍵引起的中斷來加入新的任務(wù)，每個線程的調(diào)度標識可以由相關(guān)的前臺線程給出,，也可來自相關(guān)的后臺線程,。配合Getadd()和Putadd()從中斷強制返回某地此后，使用跳轉(zhuǎn)語句到真正的目標地址,。

最后給出強制返回程序代碼（供參考）：

/*保存當前地址信息到環(huán)境變量JMPEnv[env1][]中,，每個變量由三項組成，env1是二維下標參數(shù)*/

void getadd(unsigned char env1)

{unsigned char temp;

temp=SP;

JMPEnv[env1][0]=(*((unsigned char idata*)SP));

temp--;

JMPEnv[env1][1]=(*((unsigned char idata*)temp));

JMPEnv[env1][2]=SP-2,；

}

/*置中斷返回的任意跳轉(zhuǎn)地址*/

void putadd(unsigned char env1)reentrant

{ unsigned char temp[15];char i;

/*下面保存進入中斷程序時的壓棧值*/

for(i=0,i<15;i++)

{temp[i]=(*((unsigned char idata*)SP));

SP--;

}

/*放置新地址*/

SP=JMPEnv[env1][2];SP++,；

（*（（unsigned char idata*）SP）=JMPEnv[env1][1];SP++；

（*（（unsigned char idata*）SP））=JMPEnv[env1][0];

/*恢復中斷開始時的那些壓棧值*/

for(i=14;i>=0;i--)

{SP++;

(*((unsigned char idata*)SP))=temp[i];

}

}