开源 | 嵌入式物联网项目开发 - 基于任务和事件的OSAL调度器

在进行设备端硬件模块开发之前，先来分享一个单片机通用的软件调度器框架 --- 基于任务和事件的OSAL调度器。

OSAL的全称是Operating System Abstraction Layer，即操作系统抽象层。OSAL最初的概念是由德州仪器TI在ZigBee的协议栈Z-Stack上引入的，严格意义上来说，它并不是一个传统意义的操作系统，但可以实现部分类似操作系统的功能。

基于任务和事件的调度器，可以为MCU单片机编程提供一种通用意义上的框架，事件event是这个框架的最小单位，多个事件组成一个任务task。当一个事件发生时，OSAL负责将该事件分配给能够处理这个事件的任务，然后任务判断该事件的类型，再调用相应的事件处理函数进行处理。

本次开源项目设备端的MCU代码均采用OSAL调度器，OSAL调度器的框架如下图所示：

这个OSAL调度器主要实现了以下两个功能：任务调度和时间管理。

任务调度：采用任务数组tasks_events来管理各层对应的任务事件，tasks_arr是任务事件的处理数组，使用osal_set_event()函数，可以为对应的任务设置事件，使用osal_clear_event()函数，可以清除对应的任务事件。

时间管理：OSAL使用STM32的滴答时钟systick作为时间基准，可以虚拟出多个软件定时器，使用这些软件定时器，可以设置延时任务事件，当延时时间到达后，会为对应的任务事件设置触发标志位，然后执行延时事件。

OSAL调度器主要涉及以下源文件：

osal.c和osal.h：主要是任务的注册和调度实现，以及提供任务事件函数设置函数和任务事件清除函数。

osal_clock.c和osal_clock.h：主要是OSAL调度器使用STM32的滴答时钟systick作为时基，更新系统的软件定时器计数值，以及查找定时任务是否到达定时时间。。

osal_timers.c和osal_timers.h：主要是通过链表的方式管理系统的软件定时器，对外提供软件定时任务的启动函数，软件定时任务的停止函数。

 

如何使用OSAL调度器？

先来看看OSAL调度器的调度流程图，如下图所示：

以上流程图，板级初始化和OSAL任务初始化，在main函数中完成，具体的调用方式可以查看GitHub里面的源代码文件。run_system()函数主要在while(1)大循环中调用，不断更新软件定时器并查找是否有定时任务，如果有立即执行的任务或定时任务，则执行任务事件函数，事件处理函数执行完成后，清除事件标志位。

run_system()函数主要在osal.c文件中实现，函数的实现方式如下所示：

void run_system(void)
{
    unsigned char idx = 0;
    
    osal_time_update();    //更新系统时间，查找定时器任务
    
    do {
        if (tasks_events[idx])break;   //查找当前就绪的任务事件
    }while (++idx < tasks_cnt);
    
    if (idx < tasks_cnt) {    //当前有任务就绪    
        unsigned short events;

        __disable_irq();         
        events = tasks_events[idx];     //在任务列表取出任务
        tasks_events[idx] = 0;         
        __enable_irq(); 

        events = (tasks_arr[idx])( idx, events ); //调用事件处理函数
        __disable_irq();  
        tasks_events[idx] |= events;      //保存未处理的事件
        __enable_irq();  
    }
}

举个例子：例如我们需要添加一个看门狗的任务来监测系统是否正在运行，并定时进行喂狗操作。那么可以新建任务源文件iwdg_task.c和头文件iwdg_task.h，然后在osal.h文件中定义一个任务ID：IWDG_TASK_ID，这个ID就代表看门狗任务，看门狗任务的一系列事件，可以在头文件iwdg_task.h中进行定义。

源文件iwdg_task.c提供看门狗任务的初始化函数和任务执行函数，每个任务都需要提供任务的初始化函数和任务执行函数，格式如下图所示。

/***********************************************************
** 函 数 名: uint16 iwdg_task(uint8 task_id, uint16 events)
** 输  　入: task_id-任务id，event-事件id
** 输  　出: events-未处理的事件
** 功能描述: 看门狗任务处理
** 全局变量: 无
** 调用模块: 无
** 作  　者: 
** 日  　期: 
***********************************************************/
static uint16 iwdg_task(uint8 task_id, uint16 events)
{
    (void)task_id; 
             
    if( events & IWDG_FEED_EVENT )
    {        
        iwdg_feed();   //定时喂狗
        return ( events ^ IWDG_FEED_EVENT );
    }
    
    if( events & IWDG_RESET_EVENT)
    {
        while(1){delay_ms(10);}
    }
    
    return 0;
}

/***********************************************************
** 函 数 名: void iwdg_task_init(void)
** 输  　入: 无
** 输  　出: 无
** 功能描述: 看门狗任务初始化
** 全局变量: 无
** 调用模块: 无
** 作  　者: 
** 日  　期: 
***********************************************************/
void iwdg_task_init(void)
{   
    register_task_array(iwdg_task,IWDG_TASK_ID);
    
    iwdg_init(IWDG_Prescaler_64,625);  
    osal_start_timer( IWDG_TASK_ID , IWDG_FEED_EVENT , IWDG_FEED_PERIOD , IWDG_FEED_PERIOD );
}

在函数iwdg_task_init()中，先通过register_task_array()函数，绑定IWDG_TASK_ID任务ID和iwdg_task()任务处理函数，然后再初始化STM32的看门狗外设，最后通过osal_start_timer()函数启动一个定时器，不断定时进行喂狗操作。

喂狗事件IWDG_FEED_EVENT和喂狗周期IWDG_FEED_PERIOD是在头文件iwdg_task.h中进行定义的，这里需要注意的是，每个任务事件都是按位操作的，目前每个任务下面最多定义16个事件如下图所示。

#ifndef __IWDG_TASK_H_
#define __IWDG_TASK_H_
  
#define IWDG_FEED_EVENT         0x0001     //定时喂狗事件
#define IWDG_RESET_EVENT        0x0002     //看门狗复位事件

#define IWDG_FEED_PERIOD        500        //定时喂狗周期
#define IWDG_RESET_PERIOD       1000       //看门狗复位时间

extern void iwdg_task_init(void);

#endif

对于OSAL调度器，以下函数接口使用得比较多：

/***********************************************************
** 函 数 名: unsigned char osal_set_event(unsigned char task_id, unsigned short event_flag)
** 输  　入: task_id-任务id，event_flag-事件标志
** 输  　出: 无
** 功能描述: 立即事件设置函数
** 全局变量: 无
** 调用模块: 无
** 作  　者: 
** 日  　期: 
***********************************************************/
extern unsigned char osal_set_event(unsigned char task_id, unsigned short event_flag);

/***********************************************************
** 函 数 名: unsigned char osal_clr_event(unsigned char task_id, unsigned short event_flag)
** 输  　入: task_id-任务id，event_flag-事件标志
** 输  　出: 无
** 功能描述: 立即事件清除函数
** 全局变量: 无
** 调用模块: 无
** 作  　者: 
** 日  　期: 
***********************************************************/
extern unsigned char osal_clear_event(unsigned char task_id, unsigned short event_flag);

/***********************************************************
** 函 数 名: unsigned char osal_stop_timer( unsigned char task_id, unsigned short event_id )
** 输  　入: task_id-任务id，event_id-事件id
** 输  　出: 无
** 功能描述: 停止定时器事件
** 全局变量: 无
** 调用模块: 无
** 作  　者: 
** 日  　期: 
***********************************************************/
extern unsigned char osal_stop_timer( unsigned char task_id, unsigned short event_id );

/***********************************************************
** 函 数 名: unsigned char osal_start_timer(unsigned char task_id, unsigned short event_id,\
                                            unsigned int timeout_value ,unsigned int reload_timeout_value)
** 输  　入: task_id-任务id，event_id-事件id，timeout_value-超时值，reload_timeout_value-重装值
** 输  　出: 1-添加定时器事件成功，FALSE-添加定时器事件失败
** 功能描述: 添加定时器事件
** 全局变量: 无
** 调用模块: 无
** 作  　者: 
** 日  　期: 
***********************************************************/
extern unsigned char osal_start_timer(unsigned char task_id, unsigned short event_id, \
                                      unsigned int timeout_value ,unsigned int reload_timeout_value);

函数osal_set_event()和函数osal_clear_event()主要用来设置和清除立即执行的任务事件，当任务事件设置后，在run_system()函数中，该事件会立即执行。

函数osal_start_timer()和osal_stop_timer()主要用来设置和停止定时器任务事件，当定时时间到达后事件才会执行。osal_start_timer()的第三个参数timeout_value表示首次执行的超时时间，第四个参数reload_timeout_value表示下一次执行的重装载时间。如果要定时任务事件只触发一次，只需要把第四个参数reload_timeout_value置为0即可。

对于德州仪器TI提供的原生OSAL调度器，还有消息通信机制，不同的任务之间通过消息队列来进行数据传输，以实现任务间的数据访问。但这里为了使调度器简单易用，并没有把消息通信机制一并整合进来，使用这个调度器，多个任务间的数据仍然以共享内存的方式进行访问。

 

项目的开源地址：

https://github.com/embediot/Embedded-IoT-Project

https://gitee.com/embediot/Embedded-IoT-Project