CN109324885A - 一种应用于ups单片机控制的最小操作系统及基于最小操作系统的多任务管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统及基于最小操作系统的多任务管理方法，其中，最小操作系统由核心模块、时间模块、事件管理模块、任务管理模块、配置模块、接口模块和系统应用模块构成，其精简了UPS控制领域的操作系统，该最小操作系统节省MCU/DSP资源，在UPS控制上具有较好的适应性及实用性。另外，基于该最小操作系统的多任务管理方法直接将挂起任务的内核寄存器入栈保护，并将最高就绪任务寄存器从堆栈中出栈，并开始运行最高优先级就绪任务，这些过程完全置于操作系统控制之下，从而提高了任务时效性和内核的稳定性。

Description

一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统及基于最小操作 系统的多任务管理方法

技术领域

本发明涉及UPS控制领域，具体涉及一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统及基于最小操作系统的多任务管理方法。

背景技术

UPS（Uninterruptible Power System ），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。在UPS控制领域，传统前后台系统无法实现多任务管理，任务实时性也无法得到保证。而市面上商用或者开源的操作系统，结构复杂，需要消耗很多MCU/DSP资源，同时很多复杂系统功能在电源控制领域并不需要，导致该操作系统的性价比太低，适用性低。

本发明人针对上述UPS操作系统存在的诸多问题和缺陷，而深入构思，进而开发出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统及基于最小操作系统的多任务管理方法，其能够节省MCU/DSP资源，提高该操作系统在UPS控制领域的适用性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统，其包括核心模块、时间模块、事件管理模块、任务管理模块、配置模块、接口模块和系统应用模块；

所述核心模块为系统处理核心,用于执行任务切换相关的操作与控制功能；该核心模块包括任务堆栈初始化函数、就绪任务初始化函数、任务控制块初始化函数、当前最高优先级就绪任务查找函数及任务切换中断函数；

所述时间模块用于为系统提供计时基础，其包括时间周期任务处理函数；

所述事件管理模块包括事件管理函数，该事件管理函数具体包括事件挂起函数、任务级事件触发函数和中断级事件触发函数，用于任务间通讯的管理，而任务间通讯用事件来传递信息；

所述任务管理模块用于实现任务切换功能，其包含系统启动函数、任务创建函数、中断退出函数；

所述配置模块用于进行系统应用相关的配置，包含堆栈增长方向配置、浮点单元使能配置、堆栈大小配置、任务数量配置、单个任务事件数量配置；

所述接口模块包括内核接口模块和MCU接口模块，所述内核接口模块根据单片机指令系统，使用汇编代码实现单片机寄存器入栈出栈、中断关闭开启功能；该内核接口模块包括就绪任务管理、任务级任务切换、中断级任务切换、临界区进入与退出及任务切换中断；

所述MCU接口模块用于初始化最小系统中所有任务的堆栈，并将堆栈指针存储到任务控制块中；该MCU接口模块主要包括任务堆栈初始化函数；

所述系统应用模块用于为需要应用最小系统的用户提供函数接口，该系统应用模块采用单一的头文件机制，方便用户使用系统。

一种基于上述的一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统的多任务管理方法，其特征在于：所述最小操作系统中的每个任务具有就绪、运行、等待、挂起、结束五个状态，且每个任务有自己的堆栈，并且被赋予固定的优先级；

当任务中有事件被触发，任务随即进入就绪状态；

当一个任务拥有CPU资源控制权，其就处于运行状态，任务在运行时排他式完全占有CPU资源；当有多个任务处于就绪、等待或者挂起状态时，通过调用核心模块中的当前最高优先级就绪任务查找函数，获取当前处于就绪、等待和挂起状态的最高优先级任务；然后，通过调用事件管理模块中的事件挂起函数将当前运行任务切换到挂起状态，并将当前就绪、等待或者挂起的最高优先级任务切换至运行状态；

任务开始运行后，在没有运行到任务结束时就被系统终止了CPU资源控制权，这个任务就处于挂起状态；挂起状态的任务在当前任务运行至结束后，会再次参与CPU资源控制权的分配；

处于运行状态的任务，运行完任务中的所有函数后，自动释放CPU资源控制权，任务将处于结束状态；结束状态的任务，当有事件产生时，会再次进入就绪状态，等待分配CPU资源；

当任务已经执行完成，但此任务没有新的事件产生，或者任务被挂起，但并没有从新获得CPU资源时，任务处于等待状态；处于等待状态的任务只能被动等待新的事件产生或者其他任务释放CPU资源。

所述任务进入就绪状态具有以下四种途径：

（1）通过调用任务管理模块中的任务创建函数来创建任务，任务创建完成后即处于就绪状态；

（2）通过调用时间模块中的时间任务处理函数来触发周期性的时间事件，使任务处于就绪状态；

（3）在运行普通任务时，通过调用事件管理模块中的任务级事件触发函数，使任务处于就绪状态；

（4）在运行中断服务程序时，通过调用事件管理模块中的中断级事件触发函数，使任务处于就绪状态。

采用上述方案后，本发明的最小操作系统由核心模块、时间模块、事件管理模块、任务管理模块、配置模块、接口模块和系统应用模块构成，其精简了UPS控制领域的操作系统，该最小操作系统节省MCU/DSP资源，在UPS控制上具有较好的适应性及实用性。另外，基于该最小操作系统的多任务管理方法直接将挂起任务的内核寄存器入栈保护，将最高就绪任务寄存器从堆栈中出栈，并开始运行最高优先级就绪任务，这些过程完全置于操作系统控制之下，从而提高了任务时效性和内核的稳定性。

附图说明

图1为本发明任务的状态切换示意图。

具体实施方式

本发明揭示了一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统，其包括核心模块、时间模块、事件管理模块、任务管理模块、配置模块、接口模块和系统应用模块。

其中，核心模块(OS_CORE.C)为系统处理核心,用于执行任务切换相关的操作与控制等功能。该核心模块包括任务堆栈初始化函数（OSInitSys）、就绪任务初始化函数（OSInitRdyList）、任务控制块初始化函数（OSInitTCBList）、当前最高优先级就绪任务查找函数（OSFindHighPrio）及任务切换函数（OSSched）。在系统运行之前，我们需要为系统运行进行一些初始化准备。堆栈初始化函数、就绪任务初始化函数、任务控制块初始化函数三个函数均是在初始化准备中运行的。

时间模块(OS_TIME.C)在系统中最小时钟单位是500us，用于为系统提供计时基础。在UPS系统中需要2ms、10ms和500ms等不同的时间任务，而这些时间都是由500us累加而得到。该时间模块包括时间任务处理函数（OSTimerTick）。

事件管理模块(OS_EVENT.C) 包括事件管理的各个函数，该事件管理函数具体包括事件挂起函数（OSMaskEventPend）、任务级事件触发函数（OSEventSend）和中断级事件触发函数（OSISREventSend），用于任务间传递信息，而任务间通讯用事件来传递信息。

任务管理模块(OS_SHELL.C)用于实现任务切换功能。该任务管理模块包含系统启动函数（OSStart）、任务创建函数（OSTaskCreate）、中断退出函数（OSIntExit），可以通过中断退出函数，将挂起任务的CPU控制权移交给最高优先级就绪任务。中断退出函数实际上是触发任务切换中断（PendSV_Handler）。

配置模块(OS_CONFIG.H)主要是用于进行系统应用相关的配置，包含堆栈增长方向配置、浮点单元使能配置、堆栈大小配置、任务数量配置、单个任务事件数量配置。

接口模块包括内核接口模块（OS_CORE_M0+.ASM或OSC_CORE_M4F.ASM或OSC_CORE_C2000F.ASM）和MCU接口模块（OS_CPU_C.C/OS_CPU.H)，内核接口模块需要操作单片机内核的通用寄存器、堆栈指针及状态寄存器等，因此用汇编语言编写。该最小系统可以在不同内核单片机上应用，例如：ARM M0+、ARM M4F、TI C2000等。在ARM M0+内核应用时内核接口模块是OS_CORE_M0+.ASM，ARM M4F是OS_CORE_M4F.ASM，TI C2000是OS_CORE_C2000F.ASM。内核接口模块根据不同内核的单片机指令系统，使用各自的汇编代码实现单片机寄存器入栈出栈、中断关闭开启等功能。该内核接口模块包括最高优先级就绪任务启动函数（OSStartHighRdy）、任务级任务切换函数（OSCtxSw）、中断级任务切换函数（OSIntCtxSw）、临界区进入（OS_ENTER_CRITICAL）与退出函数（OS_EXIT_CRITICAL）及任务切换中断（PendSV_Handler）。而MCU接口模块用于初始化最小系统中所有任务的堆栈，并将堆栈指针存储到任务控制块中，方便进行任务管理。MCU接口模块包括任务堆栈初始化函数（OSTaskStkInit）。

系统应用模块(OS_HEAD.H)用于为需要应用最小系统的用户提供函数接口。该系统应用模块采用单一的头文件机制，也就是说在需要使用到和最小操作系统相关的定义或函数时，只要包含OS_HEAD.H即可，方便用户使用最小操作系统。

基于上述最小操作系统，本发明还揭示了一种多任务管理方法，其中，如图1所示，每个任务一般包含多个函数，每个任务具有就绪、运行、等待、挂起、结束五个状态，任务在运行时排他式完全占有CPU资源。且每个任务有自己的堆栈，并且被赋予固定的优先级。

在调用完任务堆栈初始化函数（OSInitSys）、任务创建函数（OSTaskCreate）、就绪任务初始化函数（OSInitRdyList）、任务控制块初始化函数后（OSInitTCBList），我们就可以调用系统启动函数开始运行我们的最小系统了。

当任务中有事件被触发，任务随即进入就绪状态，其中，事件分周期性时间事件和用户自定义事件两种。使任务进入就绪状态，可以通过如下4种途径：（1）通过调用任务管理模块中的任务创建函数(OSTaskCreate)来创建任务，任务创建完成后即处于就绪状态；（2）通过调用时间模块中的时间任务处理函数（OSTimerTick），来触发周期性的时间事件，使任务处于就绪状态；（3）在运行普通任务时，通过调用事件管理模块中的任务级事件触发函数（OSEventSend），使任务处于就绪状态；（4）在运行中断服务程序时，通过调用事件管理模块中的中断级事件触发函数（OSISREventSend），使任务处于就绪状态。

当一个任务拥有CPU资源控制权，其就处于运行状态。当有多个任务处于就绪、等待或者挂起状态时，通过调用核心模块中的最高优先级就绪任务查找函数（OSFindHighPrio），可以获取当前处于就绪、等待和挂起状态的最高优先级任务；然后通过调用事件管理模块中的事件挂起函数（OSMaskEventPend），将当前运行任务切换到挂起状态，并用任务切换函数(OSSched)将当前就绪、等待或者挂起的最高优先级任务切换至运行状态。

在任务中，我们使用任务级任务切换函数(OSCtxSw)来触发任务切换中断(PendSV_Handler)，任务切换中断保存好被切出任务的寄存器后，将最高优先级的就绪任务寄存器从堆栈中提取到CPU中，并开始运行；在中断中，我们使用中断级任务切换函数(OSIntCtxSw)来触发任务切换中断(PendSV_Handler)，任务切换中断保存好被切出任务的寄存器后，将最高优先级的就绪任务寄存器从堆栈中提取到CPU中，并开始运行；在任务中，有些连续的数据块或指令区被CPU访问时，我们不希望中断打断，这样的连续数据块或指令区我们称之为临界区，临界区需要使用临界区进入(OS_ENTER_CRITICAL)和退出函数(OS_EXIT_CRITICAL)保护起来，以保证CPU对临界区的一次性连续访问。

任务开始运行后，在没有运行到任务结束时就被系统终止了CPU资源控制权，这个任务就处于挂起状态。挂起状态的任务在当前任务运行至结束后，会再次参与CPU资源控制权的分配。

处于运行状态的任务，运行完任务中的所有函数后，自动释放CPU资源控制权，任务将处于结束状态。结束状态的任务，当有事件产生时，会再次进入就绪状态，等待分配CPU资源。

任务等待状态有两种情况：1、任务已经执行完成，但此任务没有新的事件产生；2、任务被挂起，但并没有从新获得CPU资源。处于等待状态的任务，只能被动等待新的事件产生或者其他任务释放CPU资源给自己。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统，其特征在于：所述最小操作系统包括核心模块、时间模块、事件管理模块、任务管理模块、配置模块、接口模块和系统应用模块；

所述核心模块为系统处理核心,用于执行任务切换相关的操作与控制功能；该核心模块包括任务堆栈初始化函数、就绪任务初始化函数、任务控制块初始化函数、当前最高优先级就绪任务查找函数及任务切换中断函数；

所述时间模块用于为系统提供计时基础，其包括时间周期任务处理函数；

所述事件管理模块包括事件管理函数，该事件管理函数具体包括事件挂起函数、任务级事件触发函数和中断级事件触发函数，用于任务间通讯的管理，而任务间通讯用事件来传递信息；

所述任务管理模块用于实现任务切换功能，其包含系统启动函数、任务创建函数、中断退出函数；

所述配置模块用于进行系统应用相关的配置，包含堆栈增长方向配置、浮点单元使能配置、堆栈大小配置、任务数量配置、单个任务事件数量配置；

所述接口模块包括内核接口模块和MCU接口模块，所述内核接口模块根据单片机指令系统，使用汇编代码实现单片机寄存器入栈出栈、中断关闭开启功能；该内核接口模块包括就绪任务管理、任务级任务切换、中断级任务切换、临界区进入与退出及任务切换中断；

所述MCU接口模块用于初始化最小系统中所有任务的堆栈，并将堆栈指针存储到任务控制块中；该MCU接口模块主要包括任务堆栈初始化函数；

所述系统应用模块用于为需要应用最小系统的用户提供函数接口，该系统应用模块采用单一的头文件机制，方便用户使用系统。

2.一种基于如权利要求1所述的一种应用于UPS单片机控制的最小操作系统的多任务管理方法，其特征在于：所述最小操作系统中的每个任务具有就绪、运行、等待、挂起、结束五个状态，且每个任务有自己的堆栈，并且被赋予固定的优先级；

当任务中有事件被触发，任务随即进入就绪状态；

当一个任务拥有CPU资源控制权，其就处于运行状态，任务在运行时排他式完全占有CPU资源；当有多个任务处于就绪、等待或者挂起状态时，通过调用核心模块中的当前最高优先级就绪任务查找函数，获取当前处于就绪、等待和挂起状态的最高优先级任务；然后，通过调用事件管理模块中的事件挂起函数将当前运行任务切换到挂起状态，并将当前就绪、等待或者挂起的最高优先级任务切换至运行状态；

任务开始运行后，在没有运行到任务结束时就被系统终止了CPU资源控制权，这个任务就处于挂起状态；挂起状态的任务在当前任务运行至结束后，会再次参与CPU资源控制权的分配；

处于运行状态的任务，运行完任务中的所有函数后，自动释放CPU资源控制权，任务将处于结束状态；结束状态的任务，当有事件产生时，会再次进入就绪状态，等待分配CPU资源；

当任务已经执行完成，但此任务没有新的事件产生，或者任务被挂起，但并没有从新获得CPU资源时，任务处于等待状态；处于等待状态的任务只能被动等待新的事件产生或者其他任务释放CPU资源。

3.根据权利要求2所述的一种基于最小操作系统的多任务管理方法，其特征在于：所述任务进入就绪状态具有以下四种途径：

（1）通过调用任务管理模块中的任务创建函数来创建任务，任务创建完成后即处于就绪状态；

（2）通过调用时间模块中的时间任务处理函数来触发周期性的时间事件，使任务处于就绪状态；

（3）在运行普通任务时，通过调用事件管理模块中的任务级事件触发函数，使任务处于就绪状态；

（4）在运行中断服务程序时，通过调用事件管理模块中的中断级事件触发函数，使任务处于就绪状态。