智能儀表：一種嵌入式微調度器的應用

　　智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展；同時，智能儀表復雜度不斷增加，對實時性要求幾乎達到了苛刻的程度。在編程方式和代碼重復利用等方面，超循環(huán)方式的智能儀表越來越不能滿足資源管理和系統(tǒng)的實時要求，迫切需要在中低端智能儀表中加入一些輕量級的多任務管理的調度器或實時操作系統(tǒng)。本文根據(jù)智能儀表對嵌入式操作系統(tǒng)的特殊要求設計了一種新的任務調度算法，并實現(xiàn)了一個應用于中低端儀器儀表的嵌入式微調度器。

　　1實時任務調度的一般方法和策略

　　在實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)把應用分為行為可以預知的、功能確定的多個任務。每個任務一般處于3種狀態(tài)；執(zhí)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)(有的操作系統(tǒng)還具有掛起和休眠狀態(tài))。為了滿足實時性要求，系統(tǒng)根據(jù)一定的原則選擇合適的任務執(zhí)行。

　　常見的任務調度算法分為靜態(tài)算法和動態(tài)算法兩類：

　?、凫o態(tài)算法：在系統(tǒng)在運行前(即系統(tǒng)初始化階段)，就為所有的任務分配固定的優(yōu)先級別，在系統(tǒng)執(zhí)行過程中優(yōu)先級保持不變。當一個事件發(fā)生時，調度程序只需要查就緒表，就可以調度哪個任務處于運行狀態(tài)。

　?、趧討B(tài)算法：在系統(tǒng)初始化時初步分配一個優(yōu)先級。每一個任務在運行時可以改變它的優(yōu)先級。

當前的嵌入式操作系統(tǒng)一般采用靜態(tài)算法，只在處理優(yōu)先級反轉時臨時采用動態(tài)優(yōu)先級算法。

　　2儀器儀表對調度算法的要求

　　為了提高儀表的可靠性，實現(xiàn)高性能、多功能應用，應用于智能儀表的調度器必須滿足以下要求：

　　①良好的實時性。智能儀表必須實時地對通過現(xiàn)場總線采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字編碼，通過人機界面進行顯示，并把用戶對被監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設置實時地傳送給執(zhí)行部件。

　?、诨趦?yōu)先級的任務調度策略。在復雜的大規(guī)模應用中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，對其數(shù)據(jù)顯示和傳輸控制需要通過不同優(yōu)先級的任務來控制。

　?、鄣拖囊蟆ｋS著應用環(huán)境的復雜化，對智能儀表的計算能力要求越來越高，勢必要求調度器必須占用較少的系統(tǒng)資源。

　?、艿统杀疽?。為了降低成本，在硬件設計上，存儲器的大小是成本控制的一個方面。因此，要求提供的調度器必須具備小內(nèi)核以減小存儲空間。

　　此外，還要求調度器必須有精確定時的功能，也就是事件驅動和時鐘驅動相結合，以滿足智能儀表中周期性任務執(zhí)行和突發(fā)性任務執(zhí)行的需要。

　　3嵌入式微調度器的設計與實現(xiàn)

　　根據(jù)智能儀表對調度算法實時性、多任務、低消耗的要求，本文提出了一種新的靜態(tài)優(yōu)先級，單任務隊列、具有4種任務狀態(tài)的非搶占式調度的輕量級任務調度算法，并根據(jù)這種算法實現(xiàn)了應用于智能儀表的調度器。
　　

　　該算法的特點是以任務在任務控制塊數(shù)組中的相對位置表示優(yōu)先級高低，任務的狀態(tài)和延時量使用統(tǒng)一的任務狀態(tài)字，在少量任務的輕量級應用中具有很好的時間和空間性能。
　　

　　3.1任務的狀態(tài)

　　在本調度器中任務有4種狀態(tài)：就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)和掛起狀態(tài)。內(nèi)存中的任務必須處于這4種狀態(tài)之一。

　　就緒狀態(tài)：指任務運行的時間條件和資源條件都滿足，等待調度算法選擇最合適的任務進入就緒狀態(tài)。任務一旦建立就處于就緒狀態(tài)，這一點和μC／OS-II相同。

　　運行狀態(tài)：是當前時刻任務占有CPU資源正在運行的狀態(tài)。本調度算法選擇進入就緒任務隊列中優(yōu)先級最高的任務運行。任何時刻只能有一個任務處于運行狀態(tài)。

　　等待狀態(tài)：如果任務需要等待一段時間才能運行，那么這個任務當前處于等待狀態(tài)。使任務延遲一段時間可通過調用Os_TasK_Delay()函數(shù)實現(xiàn)。調度器在每個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍檢查任務延遲時間，一旦任務定義的延遲時間到，就使任務進入就緒狀態(tài)。

　　掛起狀態(tài)：正在運行的任務需要等待某一事件的發(fā)生，如果該事件沒有發(fā)生那么任務就處于掛起狀態(tài)。事件的發(fā)生可能來自另外一個任務，也可能來自中斷服務程序。

　　除此之外，系統(tǒng)還可能處在中斷服務狀態(tài)。這是一種特殊的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)響應中斷時，正在執(zhí)行的任務被掛起，中斷服務程序控制了CPU的使用權，系統(tǒng)就進入中斷服務狀態(tài)。

　　其中，空閑任務優(yōu)先級最低，而且永遠處于就緒狀態(tài)，而且當所有的任務都在等待事件發(fā)生或者延遲時間結束時，操作系統(tǒng)就會執(zhí)行空閑任務。

　　3.2調度器核心數(shù)據(jù)結構

　　3.2.1任務控制塊和任務控制塊列表

　　任務控制塊由任務堆棧、任務入口地址、任務狀態(tài)字和任務優(yōu)先級4個部分組成。任務堆棧用于保護被中斷的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；任務入口地址是指向任務程序的指針，用于指定任務所進行的操作；任務狀態(tài)字用來表示任務當前的狀態(tài)和延遲的時間間隔；任務優(yōu)先級表示就緒列表中的哪個任務可以優(yōu)先進入運行狀態(tài)。

　　在整個調度過程中使用一個全局的任務控制塊數(shù)組來表示任務控制塊列表。每個任務使用唯一一個任務控制塊表示，任務的優(yōu)先級通過任務控制塊在任務控制塊數(shù)組中的相對位置來表示。每個任務有且僅有一個優(yōu)先級，所以任務的優(yōu)先級也可以用任務的ID號來表示。