張騰

摘 要 本文介紹了多任務(wù)操作系統(tǒng)如何進行嵌入式的應(yīng)用軟件設(shè)計，給出了進行多任務(wù)操作的具體方法，并對該方法如何在與熱敏打印相關(guān)的軟件進行應(yīng)用，進行了介紹，通過多任務(wù)操作，嵌入式軟件提高了應(yīng)用的實時性，增強了軟件的可移植性，提升了軟件的開發(fā)效率，縮短了軟件的開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞 嵌入式操作系統(tǒng) 熱敏打印 RTOS

中圖分類號：TP316.2 文獻標識碼：A

1嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)操作

嵌入式操作系統(tǒng) C/OS的應(yīng)用，可以解決熱敏打印的設(shè)計之中，CPU如何進行多任務(wù)處理，解決加熱耗時的問題。完善 C/OS系統(tǒng)可以提升開發(fā)效率，增強軟件的實時性。實時的多任務(wù)操作系統(tǒng)中，很大一部分為嵌入式操作系統(tǒng)，該種系統(tǒng)與傳統(tǒng)定義的操作系統(tǒng)有差異。常見的打印機數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)都是多任務(wù)的操作系統(tǒng)，通過多任務(wù)的方法可以方便軟件的設(shè)計，同時由于嵌入式系統(tǒng)也具備操作軟件的功能，因此在軟件設(shè)計的時候就可以在此基礎(chǔ)之上進行多任務(wù)程序的應(yīng)用。嵌入式操作系統(tǒng)可以對嵌入式系統(tǒng)中的全部硬件和軟件資源進行調(diào)度分配，同時還可以進行并發(fā)工作，在滿足系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，通過拆裝某些模塊可以提升系統(tǒng)的性能，與常見的操作系統(tǒng)相比較，嵌入式系統(tǒng)具有如下不同點。

第一，嵌入式操作系統(tǒng)的移植性強，體積小，占用硬件資源少。第二，系統(tǒng)具有實時性的特點，可以進行卸載和裝載。第三，系統(tǒng)可以固化代碼，因而具有很強的穩(wěn)定性。雖然當前已經(jīng)出現(xiàn)了個人開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，例如JEAN J. LABROSSE開發(fā)的 C/OS，但是當前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是商業(yè)內(nèi)核的，常見的有PSOSystem、VxWorks和Nucleu等。本文所選用的嵌入式系統(tǒng)是 C/OS，因為該系統(tǒng)是完全公開的免費內(nèi)核，該系統(tǒng)的設(shè)計人員可以在應(yīng)用該系統(tǒng)的過程中按照自己的需求對該內(nèi)核的內(nèi)容進行擴展或壓縮，實現(xiàn)不同應(yīng)用軟件的功能需求。 C/OS支持多功能的是實時內(nèi)核，可以進行多任務(wù)操作，并且每個任務(wù)都有單獨的棧。該系統(tǒng)的服務(wù)內(nèi)容也比較多，例如內(nèi)存申請和釋放、消息列表、郵箱等，并且支持255層的嵌套中斷。由于該系統(tǒng)功能強大，代碼簡潔，近年來已經(jīng)在嵌入式操作系統(tǒng)當中得到了廣泛應(yīng)用。

2嵌入式操作系統(tǒng)佮進行軟件設(shè)計

運用嵌入式操作系統(tǒng)進行系統(tǒng)軟件設(shè)計，根據(jù)具體的操作要求設(shè)置操作步驟，可以提升軟件的實時性，強化軟件的可移植性，減少軟件開發(fā)時間。在進行嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計的時候，需要明確軟件設(shè)計的一般流程，由于應(yīng)用軟件在硬件之上，因此一致性比較差。在引入了嵌入式操作系統(tǒng)之后，由于應(yīng)用軟件的任務(wù)不能建立在硬件之上，因此應(yīng)用都是建立在嵌入式操作系統(tǒng)之上。嵌入式操作系統(tǒng)在應(yīng)用軟件之中是一個指揮者的角色，同時該系統(tǒng)還負責和硬件進行連通，幫助各系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，盡管CPU是按照順序進行嵌入式操作的，但設(shè)計軟件的時候還是需要劃分任務(wù)，根據(jù)軟件設(shè)計的需求將操作系統(tǒng)初始化。

以 C/OS操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在該系統(tǒng)上設(shè)計應(yīng)用軟件首先需要根據(jù)系統(tǒng)的功能對任務(wù)進行劃分，確定具體任務(wù)的個數(shù)，明確各任務(wù)的優(yōu)先級別，選擇信號和功能的時候需要注意任務(wù)之間的通訊。同時，需要根據(jù)程序的要求確認各種任務(wù)所需要的堆棧的容量，關(guān)注代碼存儲機和數(shù)據(jù)存儲機的容量，在應(yīng)用該系統(tǒng)，選擇該系統(tǒng)的操作模式的時候，還需要選擇儲存模式。最后，在軟件設(shè)計完成之后，需要根據(jù)任務(wù)程序設(shè)計代碼服務(wù)和中斷服務(wù)。下面介紹如何利用該系統(tǒng)設(shè)計熱敏打印機的應(yīng)用軟件。

3熱敏打印機的應(yīng)用軟件設(shè)計

3.1熱敏打印機的功能

熱敏打印機屬于特殊的打印機，由于我國的生產(chǎn)工藝落后，微型打印機生產(chǎn)廠商會選擇國外進口熱敏打印機的打印頭，配上自己設(shè)計的單片機控制板組成熱敏打印機。打印機的軟件結(jié)構(gòu)通常都是多任務(wù)的結(jié)構(gòu)，通過各種不同方法可以設(shè)置不同的任務(wù)階段，設(shè)置不同的程序，由于 C/OS系統(tǒng)是一種具備各種管理功能的系統(tǒng)，因此在程序設(shè)計的過程中可以直接在系統(tǒng)當中進行挑選簡化。本文所要介紹的熱敏打印機實現(xiàn)應(yīng)用步驟的方法就是 C/OS系統(tǒng)的具體應(yīng)用過程，在該系統(tǒng)中體現(xiàn)了嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)越性。在熱敏打印機實現(xiàn)功能的操作中，首先從上位機接受信息，對數(shù)據(jù)進行處理，控制打印機的打印頭進行打印。打印機的處理過程中，CPU主要有如下幾個任務(wù)。

第一，接收上位機傳輸?shù)男畔ⅲ⒋鎯π畔⒅辆彌_區(qū)域。第二，將緩沖的信息進行讀取并處理，如果信息是命令則進行操作，如果信息是字符，則轉(zhuǎn)化為點陣存儲在緩沖區(qū)。第三，將打印緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱蛴☆^，控制打印機走紙，檢查打印機的狀態(tài)，預(yù)熱打印機。上述三個任務(wù)只是基本任務(wù)，除此之外上一級還需要根據(jù)不同任務(wù)，選擇其他功能，例如檢測打印頭是否過熱、打印壓桿是否下壓、檢查打印機是否缺紙。

3.2熱敏打印的軟件功能

熱敏打印機軟件所要實現(xiàn)的功能可以粗略的概括為數(shù)據(jù)分析和打印控制，根據(jù)打印機的結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)流程，大致切換步驟主要有數(shù)據(jù)切換和信息收集兩個過程。完成打印功能分析之后，需要設(shè)計軟件功能，分別設(shè)計各個任務(wù)的流程。熱敏打印機需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)打印三個步驟。按照基礎(chǔ)設(shè)計方法，需要將各流程按照順序連接起來，但熱敏打印機卻不適合這樣操作。由于熱敏打印機需要進行加熱，在加熱的過程中，需要等待加熱完成，因此會有時間間隔。普通的字符點行有24個，每個都需要一定時間，這樣就拉長了打印速度。同時熱敏打印機對于實時性的要求過高，如果系統(tǒng)運轉(zhuǎn)緩慢則會導致調(diào)度不合理，導致打印過程出現(xiàn)錯亂。因此簡單的進行程序設(shè)計無法滿足應(yīng)用需求。

3.3 C/OS系統(tǒng)的設(shè)計方法

為了提升打印的效率，可以將打印流程拆分成幾個不同的任務(wù)，目的是為了適應(yīng)多任務(wù)的環(huán)境，讓處理器在多任務(wù)的情況下進行調(diào)配，該設(shè)計需要設(shè)計師的技巧和經(jīng)驗。程序需要進行不斷切換，運用何種程序需要不斷進行考慮，因此軟件設(shè)計過程較復雜，也會導致長期運行不穩(wěn)定，因此引入 C/OS系統(tǒng)是一種高效的設(shè)計方法。

3.4通過 C/OS系統(tǒng)設(shè)計打印機軟件

由于打印機軟件是一種多任務(wù)的軟件，因此需要應(yīng)用多任務(wù)實時運行的方法設(shè)計程序。 C/OS系統(tǒng)提供了各種多任務(wù)管理功能，依靠該系統(tǒng)進行基礎(chǔ)設(shè)計可以滿足多任務(wù)的需要。如果把創(chuàng)建的多任務(wù)大致分為數(shù)據(jù)處理和打印，則根據(jù)打印機軟件的任務(wù)和打印流程，需要在如下任務(wù)之間進行切換。

第一，從數(shù)據(jù)處理流程進入到打印流程，在該種模式下有兩種任務(wù)，首先在打印區(qū)緩沖完一個字符之后，需要啟動打印程序，從數(shù)據(jù)處理流程進入到打印流程，第二，在數(shù)據(jù)處理的加熱過程中，如果響應(yīng)停止，則需要及時終止打印流程，數(shù)據(jù)處理流程和打印流程可進行數(shù)據(jù)緩沖控制。

第二，切換到數(shù)據(jù)處理流程，該任務(wù)情況分成兩種任務(wù)，首先，在打印機進行加熱的過程中，需要啟動定時裝置，利用加熱的空閑時間處理數(shù)據(jù)，當加熱時間完成之后，從新進入到打印流程。其次，如果打印的緩沖還沒有滿足一個字符的最低要求，可以不進行打印機的加熱，還是進行數(shù)據(jù)處理，從打印流程進入數(shù)據(jù)處理流程，進行數(shù)據(jù)的接受和處理。打印機處于閑置狀態(tài)的時候，程序需要等待上位機的通知。同時，系統(tǒng)如果需要從上位機取得數(shù)據(jù)，則還需要一個中斷流程，便于進行后續(xù)操作。如果外部突發(fā)緊急情況，也需要中斷流程。

總之，如下三個任務(wù)是必須進行的。任務(wù)一，處理打印產(chǎn)生的緩沖數(shù)據(jù)，對上位機傳來的任務(wù)進行解讀。任務(wù)二，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗崦舸蛴☆^，并對電機進行控制，方便打印頭隨時處理數(shù)據(jù)。任務(wù)三，如果發(fā)生了異常處理任務(wù)，例如打印頭過熱，則需要及時運行中斷任務(wù)。

在任務(wù)運轉(zhuǎn)的過程中，任務(wù)的優(yōu)先級別是不同的，第三個任務(wù)最優(yōu)先，如果出現(xiàn)了異常情況，則需要將任務(wù)中斷。通常，任務(wù)三一直處于等待狀態(tài)。任務(wù)二比任務(wù)一有難度，如果打印緩沖區(qū)有一個字符，則需要優(yōu)先執(zhí)行任務(wù)二，在執(zhí)行任務(wù)二進行打印機加熱的過程中，需要啟動定時器，中斷任務(wù)二，此時任務(wù)二處于等待狀態(tài)。如果任務(wù)二中斷，則 C/OS系統(tǒng)會調(diào)整任務(wù)一進入運轉(zhuǎn)，進行數(shù)據(jù)的處理和接受。如果加熱過程中，服務(wù)器收到信號，表明任務(wù)二可以進行運行，則此時系統(tǒng)運行任務(wù)二。如果任務(wù)二運行，則是因為打印緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)不滿一個字符，如果任務(wù)一運行，則是沒有異常發(fā)生，同時任務(wù)二在等待，此時任務(wù)一處理數(shù)據(jù)。

需要關(guān)注的是，如果任務(wù)二處于運行狀態(tài)，則如果任務(wù)二中斷，就意味著任務(wù)二和任務(wù)三同時中斷，中斷任務(wù)二所產(chǎn)生的一系列效果，意味著控制電機中斷，同時控制加熱時間。加熱時間由于是基礎(chǔ)加熱時間，一個一定時間中斷，另一個進行補償。基準加熱時間是加熱的最短時間，大約三微秒，在 C/OS系統(tǒng)進行任務(wù)切換中完成，之后執(zhí)行其他任務(wù)?；鶞始訜嵬瓿芍?，由于打印頭的情況不同，會接著進行補償加熱，補償加熱的時間各有不同，因任務(wù)而異。通常補償加熱之后會進行下一點的加熱，過程和程序都和之前的過程相同。加熱頭的加熱可以設(shè)置成一個單獨的任務(wù)，如果任務(wù)二執(zhí)行完畢，則可以切換到其他任務(wù)，由于加熱過程比較復雜，需要進行經(jīng)常切換，雖然浪費時間，但是并不加重系統(tǒng)負擔，由于兩個任務(wù)和過程聯(lián)系密切，因此將其加入任務(wù)二較為合理。

進行完各種程序的中斷編程之后，可以建立打印作業(yè)工程的程序。第一，將出程序相關(guān)的硬件初始化，對 C/OS系統(tǒng)進行重新定義，接著需要對各種程序進行激活，最后啟動多任務(wù)操作。需要關(guān)注的是，由于嵌入式系統(tǒng)控制軟件的要求較高，在工程設(shè)計過程中需要根據(jù)硬件來對軟件進行適當調(diào)整，如果嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計不合理會導致系統(tǒng)出現(xiàn)一定損耗，因此在設(shè)計程序的過程中就應(yīng)當考慮到系統(tǒng)損耗的問題。在程序設(shè)計的過程中，需要利用 C/OS系統(tǒng)對程序?qū)崿F(xiàn)控制，除了中斷堆棧的任務(wù)之外，任何任務(wù)都有自己的堆棧，如果任務(wù)發(fā)生了中斷，則各個堆棧都會保存各自的值。由于參數(shù)的傳遞也會產(chǎn)生布局堆棧，因此在進行設(shè)計的過程中需要根據(jù)任務(wù)情況，在滿足實際需求之后，適當?shù)臄U大堆棧。如果資源比較緊張，則在調(diào)試的過程中，就應(yīng)當嘗試縮小堆棧的容量。同時考慮到熱敏打印機的字庫因素，適合選用大存儲的方法。

4結(jié)論

嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)是計算機技術(shù)，通過系統(tǒng)之中應(yīng)用軟件的設(shè)計，可以對系統(tǒng)的功能和體積進行編排。由于 C/OS系統(tǒng)具有可靠、成本低、體積小和功耗低的特點，因此經(jīng)常被熱敏電機所選用。嵌入式操作系統(tǒng) C/OS的引入，可以解決熱敏打印機控制軟件設(shè)計當中，CPU打印頭加熱出現(xiàn)空閑的情況，提升系統(tǒng)的實用性能。由于使用了 C/OS系統(tǒng)之后，可以提供給用戶完善的管理功能，同時可以節(jié)省軟件開發(fā)時間，提升軟件開發(fā)的效果，強化軟件的可用性。同時為了實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化，就需要提升系統(tǒng)的可移植性和可讀性。

參考文獻

[1] 屈鵬.基于ARM和Linux的嵌入式智能家居網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控[D].天津：天津理工大學，2017.

[2] 張霖澤.基于嵌入式系統(tǒng)的視頻編解碼與傳輸技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學，2017.

[3] 李東方.面向嵌入式系統(tǒng)的PUF輔助安全研究[D].武漢：華中科技大學，2015.