智能儀表：一種嵌入式微調(diào)度器的應(yīng)用
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chaijin 發(fā)布時間：2011-08-17 09:52:13
智能儀表是自動控制技術(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，智能儀表復(fù)雜度不斷增加，對實時性要求幾乎達(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(wù)管理的調(diào)度器或?qū)崟r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(shè)計了一種新的任務(wù)調(diào)度算法，并實現(xiàn)了一個應(yīng)用于中低端儀器儀表的嵌入式微調(diào)度器。
1實時任務(wù)調(diào)度的一般方法和策略
在實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)把應(yīng)用分為行為可以預(yù)知的、功能確定的多個任務(wù)。每個任務(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))。為了滿足實時性要求，系統(tǒng)根據(jù)一定的原則選擇合適的任務(wù)執(zhí)行。
常見的任務(wù)調(diào)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(wù)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(dāng)一個事件發(fā)生時，調(diào)度程序只需要查就緒表，就可以調(diào)度哪個任務(wù)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(wù)在運行時可以改變它的優(yōu)先級。
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)先級反轉(zhuǎn)時臨時采用動態(tài)優(yōu)先級算法。
2儀器儀表對調(diào)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(yīng)用，應(yīng)用于智能儀表的調(diào)度器必須滿足以下要求：
?、倭己玫膶崟r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(jìn)行數(shù)字編碼，通過人機界面進(jìn)行顯示，并把用戶對被監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置實時地傳送給執(zhí)行部件。
?、诨趦?yōu)先級的任務(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(wù)來控制。
?、鄣拖囊蟆ｋS著應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，對智能儀表的計算能力要求越來越高，勢必要求調(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(diào)度器必須具備小內(nèi)核以減小存儲空間。
此外，還要求調(diào)度器必須有精確定時的功能，也就是事件驅(qū)動和時鐘驅(qū)動相結(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)計與實現(xiàn)
根據(jù)智能儀表對調(diào)度算法實時性、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，單任務(wù)隊列、具有4種任務(wù)狀態(tài)的非搶占式調(diào)度的輕量級任務(wù)調(diào)度算法，并根據(jù)這種算法實現(xiàn)了應(yīng)用于智能儀表的調(diào)度器。
該算法的特點是以任務(wù)在任務(wù)控制塊數(shù)組中的相對位置表示優(yōu)先級高低，任務(wù)的狀態(tài)和延時量使用統(tǒng)一的任務(wù)狀態(tài)字，在少量任務(wù)的輕量級應(yīng)用中具有很好的時間和空間性能。
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)運行的時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)，這一點和μC／OS-II相同。
運行狀態(tài)：是當(dāng)前時刻任務(wù)占有CPU資源正在運行的狀態(tài)。本調(diào)度算法選擇進(jìn)入就緒任務(wù)隊列中優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。任何時刻只能有一個任務(wù)處于運行狀態(tài)。
等待狀態(tài)：如果任務(wù)需要等待一段時間才能運行，那么這個任務(wù)當(dāng)前處于等待狀態(tài)。使任務(wù)延遲一段時間可通過調(diào)用Os_TasK_Delay()函數(shù)實現(xiàn)。調(diào)度器在每個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍檢查任務(wù)延遲時間，一旦任務(wù)定義的延遲時間到，就使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。
掛起狀態(tài)：正在運行的任務(wù)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(wù)就處于掛起狀態(tài)。事件的發(fā)生可能來自另外一個任務(wù)，也可能來自中斷服務(wù)程序。
除此之外，系統(tǒng)還可能處在中斷服務(wù)狀態(tài)。這是一種特殊的運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)中斷時，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)生或者延遲時間結(jié)束時，操作系統(tǒng)就會執(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4個部分組成。任務(wù)堆棧用于保護(hù)被中斷的現(xiàn)場數(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)字用來表示任務(wù)當(dāng)前的狀態(tài)和延遲的時間間隔；任務(wù)優(yōu)先級表示就緒列表中的哪個任務(wù)可以優(yōu)先進(jìn)入運行狀態(tài)。
在整個調(diào)度過程中使用一個全局的任務(wù)控制塊數(shù)組來表示任務(wù)控制塊列表。每個任務(wù)使用唯一一個任務(wù)控制塊表示，任務(wù)的優(yōu)先級通過任務(wù)控制塊在任務(wù)控制塊數(shù)組中的相對位置來表示。每個任務(wù)有且僅有一個優(yōu)先級，所以任務(wù)的優(yōu)先級也可以用任務(wù)的ID號來表示。
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