Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

В нескольких следующих разделах мы исследуем возможные состояния задач и способы, с помощью которых вся информация о задачах обрабатывается блоком управления задачами. До перехода к этому материалу рассмотрим предварительно задачи, связанные со знакомым уже нам роботом, проходящим через лабиринт.

Пример: В главе 7 был рассмотрен проект автономного робота, проходящего через неизвестный лабиринт. Этот робот, обнаруживая границы лабиринта с помощью инфракрасных локаторов, принимал решения, двигаться ли вперед или повернуть в необходимом направлении, чтобы пройти через лабиринт. При проходе через лабиринт робот должен был избежать земляных мин (магнитов в полу лабиринта). Как мы говорили, робот должен находить мины с помощью датчика Холла. Если робот обнаруживал магнит, он должен был остановиться, отъехать назад, и объехать мину. Робот был также оборудован ЖК дисплея (ЖКД), показывающим его текущее состояние в процессе выполнения программы.

Создадим список функций, которые должна выполнять операционная система робота, чтобы успешно выполнять все перечисленные задачи:

• Функции инициализации ЖКД, ATD-преобразователя и системы широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

• ATD-преобразование выходных сигналов ИК датчиков;

• Сравнение выходных сигналов ИК датчика с пороговыми уровнями обнаружения стенки;

• Алгоритм поворотов робота, позволяющий правильно изменить движение робота в ответ на выходные сигналы ИК датчиков;

• Функции, позволяющие осуществить поворот робота направо, налево и продолжить движение вперед;

• Метод обработки выходного сигнала датчика Холла;

• Функции, необходимые для выполнения объезда мины — остановка, задний ход, и объезд;

• Функции, обеспечивающие работу ЖКД.

Эти функции показаны в структуре программы (рис.8.13).

Рис. 8.13. Структура программы, управляющей роботом, проходящим лабиринт

При реализации ОСРВ робота эти функции становятся задачами. Как мы уже сказали, задачами называются независимые, асинхронные и взаимодействующие процессы, соревнующиеся за предоставление процессорного времени. Исследуем сценарий работы системы управления роботом, чтобы иллюстрировать это.

Сценарий. Робот помещается в начальную точку неизвестного лабиринта, содержащего магнитные мины. Операционная система инициализирует ЖКД, ATD-конвертер и систему ШИМ. В главе 4, мы обсуждали требования инициализации для каждой из этих систем робота.

Как только инициализация закончена, робот начинает проход через неизвестный лабиринт, обрабатывая сигналы ИК датчиков и датчика Холла. Что получается, если робот получит сигналы о приближении к стенке одновременно с сигналом об обнаружении мины? Робот не сможет обрабатывать оба эти два события одновременно, поскольку располагает только одним процессором. Оба события являются критическими, хотя и не в равной степени. Если мы обрабатываем сначала информацию о стенках, робот избегает столкновения, но рискует подорваться на мине, если обработка информации о стенках не закончится достаточно быстро. С другой стороны, если мы сначала обрабатываем информацию о минах, считая эту задачу более приоритетной, мы подвергаемся риску возможного столкновения со стенками. К тому же оба события взаимосвязаны. Мы не хотим подорваться на мине, обрабатывая информацию о стенках, но и не хотим наткнуться на стенки объезжая мины.

В следующих разделах мы обсудим, как решить рассматриваемые проблемы, используя ОСРВ и, прежде всего, познакомимся с концепциями управления задачами.

8.4.2. Управление задачами

В этом разделе мы рассмотрим, как ОСРВ взаимодействует с отдельной задачей. Сначала мы рассмотрим различные состояния, в которых может находиться задача. Затем исследуем, как задачи переходят из одного состояния в другое, и рассмотрим программную функцию, позволяющую моделировать состояния задач и их связь друг с другом. Это обсуждение будет частью полного обсуждения блока управления задачами.

Состояния задачи. В любой момент времени задача может быть только в одном определенном состоянии. Различные состояния задачи показаны на рис. 8.14. ОСРВ должна отслеживать и изменять состояние каждой задачи. Не забудем при этом, что все задачи независимы, асинхронны и претендуют на процессорное время. ОСРВ должна обеспечить эффективное планирование этого дефицитного ресурса.

Рис. 8.14. Состояния задач

Задача находится в одном из следующих состояний:

• Бездействия (Dormant — D): задача не нуждается в обработке и не требует  процессорного времени. Она рассматривается как удаленная или неактивная задача, и по сигналу операционной системы переходит в состояние готовности.

• Готовности (Ready — R): задача полностью готова к переходу в активное состояние; однако, в настоящее время процессор занят другой задачей. Задача может переходить в состояние готовности из состояний бездействия или активности. Она переходит от активного состояния в состояние готовности, когда процессор обрабатывает другую более приоритетную задачу. Зарезервированная задача с более низким приоритетом (находящаяся в состоянии готовности) повторно переходит в активное состояние, как только становится доступным процессорное время и операционной системой дается разрешение на выполнение.

• Активности (Executing/active/running — A): задача управляется процессором, выполняя часть своей программы. Так как наша система содержит только один процессор, только одна задача может быть в активном состоянии в любое данное время. Задача остается в активном состоянии, пока не происходит одно из трех событий:

 1) завершаются необходимые для выполнения задачи действия;

 2) она выгружается задачей с более высоким приоритетом;

 3) она возвращает управление операционной системе.

Во всех этих случаях задача переходит от активного состояния в состояние готовности. Эти варианты станут более ясными, когда мы обсудим различные типы систем ОСРВ в разделе 8.5. Из активного состояния задача может также переходить в состояния ожидания.

• Ожидание (Wait — W): выполнение задачи было отсрочено. Она остается в ждущем состоянии на заданном отрезке времени и затем переходит в состояние готовности, ожидая обработки. Задача переводится в состояние ожидания временно, чтобы выделить время для обработки задач с более низким приоритетом.

• Приостановка (suspended — S): задача ждет некоторого ресурса. Как только ресурс становится доступным, задача переходит в состояние готовности и ждет процессорного времени.

• Восстановление (rescheduling — X): Это состояние вводится каждый раз, когда задача выполнена, но не может сразу же перейти в состояние готовности. В этом случае, задача остается в состоянии восстановления, пока не закончится необходимый интервал восстановления (RSI). Как только это происходит, задача снова переходит в состояние готовности.

Приведенная диаграмма состояний задач может быть выполнена с помощью программного кода, использующего команду switch, которая позволяет нам точно управлять переходами в зависимости от состояния.

/********************************************************************/

char task_state_diagram(char present_state, char action) {

 char next_state;

 switch (present_state) {

 case 'D': /*если состояние бездействия (D) и выбрана опция create(c), то */

           /* задача переходит в состояние готовности, в противном */

           /* случае она остается в состоянии бездействия (D) */

  if (action == 'с') next_state = 'R';

  else next_state = 'D';

  break;

 case 'R': /*если задача в состоянии готовности (R), процессор доступен */

           /* и задача имеет наивысший приоритет,то она переходит в */

           /* активное состояние (A). Это состояние обозначается */

           /*присвоением переменной action значения (g). */

  if (action == 'g') next_state = 'A';

  else next_state = 'R';

  break;

 case 'A': /*из состояния активности(A)задача переходит в состояние */

           /*определяемое значением переменной action. */

  if (action == 'p') /*время ожидания или приостановка задачи*/

   next_state = 'R'; /*возврат в состояние готовности*/

  else if (action == 'w')

   /*переход в состояние ожидания*/

   next_state = 'W'; /*состояние ожидания */

  else if (action == 'n') /*ресурс недоступен */

   next_state = 'S';

  /*задача переходит в состояние приостановки*/

  else if (action == 'd')

   /*завершается выполнение задачи*/