記錄儀實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度策略的研究

　實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用極其廣泛，幾乎滲透到各行各業(yè)，系統(tǒng)分類也很復(fù)雜。雖然不同的應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)模式上不完全一樣，但核心思想是一致的。在嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制是依靠啟動(dòng)之后運(yùn)行的一段后臺(tái)任務(wù)管理程序?qū)崿F(xiàn)的。應(yīng)用程序運(yùn)行在該管理器程序之上。后臺(tái)根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。其首要目的是調(diào)度一切可利用的資源實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制任務(wù)。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要有兩大類：軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)的宗旨是使各個(gè)任務(wù)運(yùn)行的越快越好，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成。在硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，各任務(wù)不僅要執(zhí)行無(wú)誤而且要做到準(zhǔn)時(shí)。大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是二者的結(jié)合。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜任務(wù)系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度模式的選用是其系統(tǒng)架構(gòu)的一個(gè)重點(diǎn)。無(wú)紙記錄儀具有多層次的界面管理和較高的實(shí)時(shí)響應(yīng)需求，由此選擇與之相適應(yīng)的系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度模式是勢(shì)在必行的。

本論文綜合考慮了各任務(wù)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性需求，對(duì)任務(wù)進(jìn)行了創(chuàng)造性的調(diào)整，進(jìn)而將軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)的結(jié)合，規(guī)劃出最為合理的任務(wù)調(diào)度模式。

1 記錄儀實(shí)時(shí)多任務(wù)的特點(diǎn)

通常的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)都比較龐大，對(duì)于由單片機(jī)(80C320)組成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是不適用的。由于單片機(jī)的運(yùn)算能力和內(nèi)存有限，要求實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單實(shí)用、高效可靠的特性。就記錄儀而言，其任務(wù)和功能是預(yù)知的，則內(nèi)存和文件管理系統(tǒng)可簡(jiǎn)化，甚至取消[1]。因?yàn)槿蝿?wù)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是明確的，這樣就可以使用固定和獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域分配方案，無(wú)需通過(guò)OS來(lái)控制和分配。因此，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)就可以簡(jiǎn)化為基于任務(wù)調(diào)度與時(shí)鐘中斷管理為核心的調(diào)度模塊。記錄儀中的任務(wù)狀態(tài)有四種：運(yùn)行、就緒、等待、掛起，睡眠狀態(tài)并入等待，不再另加以區(qū)分。

2 任務(wù)的劃分、組織和調(diào)度

2.1 任務(wù)的劃分

在單片機(jī)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制的關(guān)鍵在于將系統(tǒng)功能合理地分解成各個(gè)任務(wù)模塊。劃分任務(wù)的原則： 功能相對(duì)獨(dú)立，并能與其他程序同時(shí)執(zhí)行的程序劃分為一個(gè)任務(wù)。但任務(wù)劃分不能太細(xì)，否則將增加任務(wù)切換的系統(tǒng)開銷，降低系統(tǒng)效率并影響系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[2]指出，應(yīng)盡量將關(guān)系密切的任務(wù)合并，減少任務(wù)間的通信。綜合考慮任務(wù)的實(shí)時(shí)性和執(zhí)行時(shí)間，記錄儀的十個(gè)任務(wù)可分為三類：

　　(1)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)：下位機(jī)上傳采樣值的處理，虛擬通道組織，報(bào)警處理。這類任務(wù)實(shí)時(shí)性要求高，執(zhí)行時(shí)間<0.1s，如采樣值處理任務(wù)，記錄儀要保存采樣值作為歷史數(shù)據(jù)，保存過(guò)程中要加上時(shí)標(biāo)，采樣值正確而時(shí)標(biāo)錯(cuò)誤的記錄是無(wú)效的。

(2)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)：按鍵響應(yīng)、顯示、PID控制、流量積算。這類任務(wù)執(zhí)行時(shí)間<0.2s，任務(wù)實(shí)時(shí)性要求一般。如按鍵響應(yīng)任務(wù)，延遲0.5s是可以容忍的。

(3)后臺(tái)任務(wù)：存儲(chǔ)、打印、與管理機(jī)(PC)通信。這類任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間>1s，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求最低。

2.2 任務(wù)的組織

系統(tǒng)上電，初始化每個(gè)任務(wù)的固定任務(wù)棧，建立任務(wù)隊(duì)列狀態(tài)表和任務(wù)控制表(TCB)，這兩張表是任務(wù)調(diào)度的依據(jù)。任務(wù)隊(duì)列狀態(tài)表由高優(yōu)先級(jí)、低優(yōu)先級(jí)、后臺(tái)任務(wù)三張子表組成；任務(wù)控制表由任務(wù)首地址、狀態(tài)寄存器、任務(wù)局部變量三部分組成，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖1。

2.3 基于消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制的任務(wù)調(diào)度

借鑒面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想，在記錄儀程序中引入消息概念，將任務(wù)的執(zhí)行條件轉(zhuǎn)換為消息，由消息對(duì)相應(yīng)的任務(wù)進(jìn)行激活，并由任務(wù)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)度。消息定義為：當(dāng)某個(gè)事件(如中斷或某任務(wù)完成)發(fā)生時(shí)，事件處理程序設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志，不同的標(biāo)志代表不同的消息。事件處理程序可以是中斷服務(wù)程序，也可以是執(zhí)行后需設(shè)置的標(biāo)志的任務(wù)，因此，記錄儀中任務(wù)的調(diào)度是基于消息機(jī)制來(lái)驅(qū)動(dòng)的。消息在多任務(wù)程序中的作用相當(dāng)于橋梁，使任務(wù)間既相互獨(dú)立又有機(jī)關(guān)聯(lián)，任務(wù)之間不能直接調(diào)用，需借助消息，由任務(wù)調(diào)度模塊實(shí)施。

中斷服務(wù)程序由中斷消息(標(biāo)志)處理程序和中斷任務(wù)處理程序兩部分組成，前者僅僅完成消息(標(biāo)志)處理就退出中斷，而中斷真正要完成的操作，是在任務(wù)調(diào)度模塊的協(xié)調(diào)下，由中斷任務(wù)處理程序來(lái)完成。如按下顯示，則按鍵中斷消息處理程序只產(chǎn)生一個(gè)按鍵消息(標(biāo)志)就退出中斷，而調(diào)度模塊依據(jù)按鍵消息，調(diào)用按鍵中斷任務(wù)處理程序獲取鍵值，并產(chǎn)生顯示消息。調(diào)度模塊依據(jù)顯示消息，調(diào)用顯示任務(wù)程序。

3 實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度策略

多任務(wù)的系統(tǒng)，通常采用內(nèi)核來(lái)管理各個(gè)任務(wù)，也就是通過(guò)內(nèi)核為每個(gè)任務(wù)分配CPU時(shí)間，并負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。根據(jù)任務(wù)的調(diào)度機(jī)制，可以分為非占先式內(nèi)核和占先式內(nèi)核。前者要求每個(gè)任務(wù)能夠主動(dòng)釋放CPU等資源，后者則支持對(duì)當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)的剝奪，從而使更高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)得到CPU控制權(quán)進(jìn)而執(zhí)行。

嵌入式系統(tǒng)采用何種調(diào)度策略，通常要考慮三個(gè)因素：系統(tǒng)的處理能力，任務(wù)的數(shù)目，系統(tǒng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間和執(zhí)行效率的要求。搶占式調(diào)度能改善高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性，但系統(tǒng)開銷較大；非搶占式調(diào)度恰好與搶占式相反。針對(duì)記錄儀，提出搶占式和非搶占式的復(fù)合多任務(wù)調(diào)度策略。記錄儀的正常工作周期為1s，調(diào)度模塊的工作周期亦為1s，并將1s分為三個(gè)時(shí)段：0s－0.5s，0.5－0.8s，0.8s－1s，實(shí)時(shí)時(shí)鐘在0s， 0.5s， 0.8s各產(chǎn)生一次中斷，將Time-flag分別設(shè)置為0，5，8，并將Attemper-flag置為0。任務(wù)調(diào)度程序框圖如圖2所示。

在記錄儀一個(gè)工作周期(1s)內(nèi)，復(fù)合調(diào)度策略，允許高優(yōu)先級(jí)任務(wù)三次搶占低優(yōu)先級(jí)和后臺(tái)任務(wù)，而低優(yōu)先級(jí)任務(wù)具有兩次搶占后臺(tái)任務(wù)的權(quán)力。因此，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間t≤0.5s，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間t≤0.7s。由于搶占的次數(shù)有限，所以任務(wù)切換開銷不大，有利于提高系統(tǒng)效率。

搶占式和非搶占式的復(fù)合多任務(wù)調(diào)度策略已成功應(yīng)用于某記錄儀，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

首先，軟件設(shè)計(jì)模塊化，不同的功能模塊編制成相應(yīng)的任務(wù)，由調(diào)度模塊按優(yōu)先級(jí)別調(diào)用。而且兼顧了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)運(yùn)行的高效性。這樣，大大降低了系統(tǒng)的故障率。低優(yōu)先級(jí)任務(wù)發(fā)生阻塞時(shí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行不受其影響。