一種嵌入式微調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)方法

　　智能儀表是自動(dòng)控制技術(shù)的重要組成部分。隨著智能儀表在工業(yè)控制、通信和汽車(chē)電子中的廣泛應(yīng)用。

　　智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展；同時(shí)，智能儀表復(fù)雜度不斷增加，對(duì)實(shí)時(shí)性要求幾乎達(dá)到了苛刻的程度。在編程方式和代碼重復(fù)利用等方面，超循環(huán)方式的智能儀表越來(lái)越不能滿足資源管理和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，迫切需要在中低端智能儀表中加入一些輕量級(jí)的多任務(wù)管理的調(diào)度器或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。本文根據(jù)智能儀表對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的特殊要求設(shè)計(jì)了一種新的任務(wù)調(diào)度算法，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)用于中低端儀器儀表的嵌入式微調(diào)度器。

　　1 實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的一般方法和策略

　　在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)把應(yīng)用分為行為可以預(yù)知的、功能確定的多個(gè)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)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(shí)時(shí)性要求，系統(tǒng)根據(jù)一定的原則選擇合適的任務(wù)執(zhí)行。

　　常見(jiàn)的任務(wù)調(diào)度算法分為靜態(tài)算法和動(dòng)態(tài)算法兩類：

　?、凫o態(tài)算法：在系統(tǒng)在運(yùn)行前(即系統(tǒng)初始化階段)，就為所有的任務(wù)分配固定的優(yōu)先級(jí)別，在系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中優(yōu)先級(jí)保持不變。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，調(diào)度程序只需要查就緒表，就可以調(diào)度哪個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。

　?、趧?dòng)態(tài)算法：在系統(tǒng)初始化時(shí)初步分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)。每一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行時(shí)可以改變它的優(yōu)先級(jí)。

　　當(dāng)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(jí)反轉(zhuǎn)時(shí)臨時(shí)采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法。

　　2 儀器儀表對(duì)調(diào)度算法的要求

　　為了提高儀表的可靠性，實(shí)現(xiàn)高性能、多功能應(yīng)用，應(yīng)用于智能儀表的調(diào)度器必須滿足以下要求：

　?、倭己玫膶?shí)時(shí)性。智能儀表必須實(shí)時(shí)地對(duì)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字編碼，通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行顯示，并把用戶對(duì)被監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置實(shí)時(shí)地傳送給執(zhí)行部件。

　?、诨趦?yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度策略。在復(fù)雜的大規(guī)模應(yīng)用中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，對(duì)其數(shù)據(jù)顯示和傳輸控制需要通過(guò)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來(lái)控制。

　?、鄣拖囊蟆ｋS著應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，對(duì)智能儀表的計(jì)算能力要求越來(lái)越高，勢(shì)必要求調(diào)度器必須占用較少的系統(tǒng)資源。

　　④低成本要求。為了降低成本，在硬件設(shè)計(jì)上，存儲(chǔ)器的大小是成本控制的一個(gè)方面。因此，要求提供的調(diào)度器必須具備小內(nèi)核以減小存儲(chǔ)空間。

　　此外，還要求調(diào)度器必須有精確定時(shí)的功能，也就是事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，以滿足智能儀表中周期性任務(wù)執(zhí)行和突發(fā)性任務(wù)執(zhí)行的需要。

　　3 嵌入式微調(diào)度器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)智能儀表對(duì)調(diào)度算法實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、低消耗的要求，本文提出了一種新的靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，單任務(wù)隊(duì)列、具有4種任務(wù)狀態(tài)的非搶占式調(diào)度的輕量級(jí)任務(wù)調(diào)度算法，并根據(jù)這種算法實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于智能儀表的調(diào)度器。該算法的特點(diǎn)是以任務(wù)在任務(wù)控制塊數(shù)組中的相對(duì)位置表示優(yōu)先級(jí)高低，任務(wù)的狀態(tài)和延時(shí)量使用統(tǒng)一的任務(wù)狀態(tài)字，在少量任務(wù)的輕量級(jí)應(yīng)用中具有很好的時(shí)間和空間性能。

　　3.1 任務(wù)的狀態(tài)

　　在本調(diào)度器中任務(wù)有4種狀態(tài)：就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、等待狀態(tài)和掛起狀態(tài)。內(nèi)存中的任務(wù)必須處于這4種狀態(tài)之一。

　　就緒狀態(tài)：指任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間條件和資源條件都滿足，等待調(diào)度算法選擇最合適的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)一旦建立就處于就緒狀態(tài)，這一點(diǎn)和μC／OS-II相同。

　　運(yùn)行狀態(tài)：是當(dāng)前時(shí)刻任務(wù)占有CPU資源正在運(yùn)行的狀態(tài)。本調(diào)度算法選擇進(jìn)入就緒任務(wù)隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)運(yùn)行。任何時(shí)刻只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。

　　等待狀態(tài)：如果任務(wù)需要等待一段時(shí)間才能運(yùn)行，那么這個(gè)任務(wù)當(dāng)前處于等待狀態(tài)。使任務(wù)延遲一段時(shí)間可通過(guò)調(diào)用Os_TasK_Delay()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。調(diào)度器在每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍檢查任務(wù)延遲時(shí)間，一旦任務(wù)定義的延遲時(shí)間到，就使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。

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

　　除此之外，系統(tǒng)還可能處在中斷服務(wù)狀態(tài)。這是一種特殊的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)中斷時(shí)，正在執(zhí)行的任務(wù)被掛起，中斷服務(wù)程序控制了CPU的使用權(quán)，系統(tǒng)就進(jìn)入中斷服務(wù)狀態(tài)。

　　其中，空閑任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低，而且永遠(yuǎn)處于就緒狀態(tài)，而且當(dāng)所有的任務(wù)都在等待事件發(fā)生或者延遲時(shí)間結(jié)束時(shí)，操作系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行空閑任務(wù)。

　　3.2 調(diào)度器核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　3.2.1 任務(wù)控制塊和任務(wù)控制塊列表

　　任務(wù)控制塊由任務(wù)堆棧、任務(wù)入口地址、任務(wù)狀態(tài)字和任務(wù)優(yōu)先級(jí)4個(gè)部分組成。任務(wù)堆棧用于保護(hù)被中斷的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；任務(wù)入口地址是指向任務(wù)程序的指針，用于指定任務(wù)所進(jìn)行的操作；任務(wù)狀態(tài)字用來(lái)表示任務(wù)當(dāng)前的狀態(tài)和延遲的時(shí)間間隔；任務(wù)優(yōu)先級(jí)表示就緒列表中的哪個(gè)任務(wù)可以優(yōu)先進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

　　在整個(gè)調(diào)度過(guò)程中使用一個(gè)全局的任務(wù)控制塊數(shù)組來(lái)表示任務(wù)控制塊列表。每個(gè)任務(wù)使用唯一一個(gè)任務(wù)控制塊表示，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)通過(guò)任務(wù)控制塊在任務(wù)控制塊數(shù)組中的相對(duì)位置來(lái)表示。每個(gè)任務(wù)有且僅有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，所以任務(wù)的優(yōu)先級(jí)也可以用任務(wù)的ID號(hào)來(lái)表示。任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)如下