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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)時任務(wù)調(diào)度的一般方法和策略
在實(shí)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(shí)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：
①靜態(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(yùn)行狀態(tài)。
②動態(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(yùn)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(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：
①良好的實(shí)時性。智能儀表必須實(shí)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(jī)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(shí)時地傳送給執(zhí)行部件。
②基于優(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。
③低消耗要求。隨著應(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(shí)現(xiàn)
根據(jù)智能儀表對調(diào)度算法實(shí)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(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(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)隊列中優(yōu)先級最高的任務(wù)運(yùn)行。任何時刻只能有一個任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。
等待狀態(tài)：如果任務(wù)需要等待一段時間才能運(yùn)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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。任務(wù)控制塊結(jié)構(gòu)如下：
3.2.2 任務(wù)調(diào)度算法及實(shí)現(xiàn)
這種算法已在16位單片機(jī)Motorola MC9S12DP256B和8位單片機(jī)AT89C52上實(shí)現(xiàn)。一些與硬件相關(guān)的算法，主要給出在MC9S12DP256B上的算法實(shí)現(xiàn)。
①建立任務(wù)Os_Task_Create()算法。任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)代碼如下：
該程序表示了系統(tǒng)建立任務(wù)的過程。如上節(jié)所述每個任務(wù)對應(yīng)一個優(yōu)先級，所以任務(wù)ID也可表示任務(wù)的優(yōu)先級。建立任務(wù)的過程就是，把任務(wù)控制塊數(shù)組的任務(wù)人口地址對應(yīng)ID(即任務(wù)優(yōu)先級)的任務(wù)控制塊的任務(wù)入口地址指向任務(wù)函數(shù)的地址，并初始化該任務(wù)的任務(wù)堆棧。
②任務(wù)調(diào)度算法的功能是找到當(dāng)前就緒列表中優(yōu)先級最高的任務(wù)，并把這個任務(wù)切換到運(yùn)行狀態(tài)。在任務(wù)控制塊列表中使用任務(wù)在列表中的相對位置表示優(yōu)先級的高低，并不需要實(shí)際地對任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行比較。算法流程如圖1所示。
從任務(wù)控制塊隊列的頭部(即任務(wù)優(yōu)先級為0的任務(wù))開始依次檢查任務(wù)就緒標(biāo)志(os_tcb．state)，如果當(dāng)前任務(wù)標(biāo)志≠1，表示當(dāng)前任務(wù)為非就緒狀態(tài)，繼續(xù)檢查下一優(yōu)先級的任務(wù)。如果當(dāng)前任務(wù)標(biāo)志為1，則找到最高優(yōu)先級任務(wù)退出循環(huán)，調(diào)用任務(wù)調(diào)度函數(shù)進(jìn)行任務(wù)狀態(tài)切換。
任務(wù)的調(diào)度算法如下：
任務(wù)級切換函數(shù)需要改變程序計數(shù)器(PC)，所以必須通過軟中斷實(shí)現(xiàn)。在軟中斷服務(wù)函數(shù)中改變當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的TCB指針到最高優(yōu)先級就緒任務(wù)，執(zhí)行中斷返回指令在新的任務(wù)堆棧中彈出最高優(yōu)先級任務(wù)的PSW和PC指針，從而完成任務(wù)切換。
③任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要是激活任務(wù)os_Task_Active()、掛起任務(wù)os_Task_Suspend()和延遲任務(wù)os_Task_Delay()。掛起任務(wù)使任務(wù)進(jìn)入掛起狀態(tài)，延遲任務(wù)使任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，而激活任務(wù)函數(shù)可以使任務(wù)從掛起狀態(tài)或者等待狀態(tài)直接進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)的狀態(tài)由任務(wù)控制塊中的任務(wù)狀態(tài)字(os_tcb．state)給出。當(dāng)os_tcb．state=1時表示任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)；當(dāng)os_tcb．state=0時表示任務(wù)處于掛起狀態(tài)；當(dāng)os_tcb．state>1時表示任務(wù)等待os_tcb．state-1個系統(tǒng)時鐘間隔之后進(jìn)入就緒狀態(tài)。任務(wù)狀態(tài)切換示意圖如圖2所示。
④由于這些中低端的儀器儀表每個任務(wù)的執(zhí)行時間都比較短，為了避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)和死鎖，采用非搶占式調(diào)度方式，進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)必須在當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完成后才能被調(diào)度。調(diào)度時處于就緒表中優(yōu)先級最高的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行。
3.2.3 調(diào)度算法的時鐘驅(qū)動
時間驅(qū)動需要硬件提供時鐘節(jié)拍來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的定時。時鐘節(jié)拍信號源可以是專門的硬件定時器，比如AT89C52中的Timer2。也可以使用其他更精確的方式提供系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。在這里使用MC9S12DP256B捕獲器的第7個通道來實(shí)現(xiàn)，時鐘中斷處理函數(shù)如下：
#pragma CODE_SEG DEFAULT在MC9S12DP256B的捕獲器中有一個自動增長主時鐘，每一個硬件周期驅(qū)動TCNT十1，并與TC7相比較。設(shè)置TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS(在系統(tǒng)配置文件中定義)，當(dāng)度過OS_TICK_OC_CNTS個硬件周期時，TCNT=TC7則產(chǎn)生中斷。在中斷中調(diào)用系統(tǒng)時鐘節(jié)拍函數(shù)提供精確的系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，并再次初始化TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS，產(chǎn)生下一個時鐘節(jié)拍。
系統(tǒng)時鐘節(jié)拍函數(shù)自動檢查每個被延遲的任務(wù)，當(dāng)任務(wù)的延遲周期結(jié)束后，自動將任務(wù)切換到就緒狀態(tài)。具體算法如下：
①從任務(wù)控制塊列表頭部開始順序檢查各任務(wù)狀態(tài)字，將所有延遲任務(wù)的任務(wù)狀態(tài)字減1。
②當(dāng)前延遲任務(wù)的狀態(tài)字變?yōu)?時，該任務(wù)延時結(jié)束，置就緒任務(wù)列表改變標(biāo)志位。
③恢復(fù)被中斷任務(wù)狀態(tài)，返回中斷。
系統(tǒng)時鐘驅(qū)動代碼如下：
結(jié) 語
本文提出的任務(wù)調(diào)度算法是一個應(yīng)用于智能儀表系統(tǒng)的中間件，目的是良好地管理CPU資源，提供方便的用戶應(yīng)用接口，具有良好的可移植性、時間性能和空間性能。在具有大量周期性任務(wù)的輕量級智能儀表的應(yīng)用中，性能和易用性的提高是非常明顯的。該算法已經(jīng)成功應(yīng)用于車載智能儀表的圖形操作系統(tǒng)中。
