uCOS-II在車載GPS移動終端中的應用

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(quán)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(jié)構(gòu)，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(quán)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(quán)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(quán)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(quán)設置，即運行過程中任務優(yōu)先權(quán)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(quán)必較所有就緒態(tài)任務優(yōu)先權(quán)高。若系統(tǒng)運行導致就緒態(tài)某一任務的優(yōu)先權(quán)高于運行態(tài)任務優(yōu)先權(quán)，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(quán)而轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，優(yōu)先權(quán)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(quán)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(quán)。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)。