智能儀表：一種嵌入式微調(diào)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(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)的特殊要求設計了一種新的任務調(diào)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(diào)度器。

　　1實時任務調(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(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(diào)度程序只需要查就緒表，就可以調(diào)度哪個任務處于運行狀態(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(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、多功能應用，應用于智能儀表的調(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(diào)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?。隨著應用環(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(diào)度器必須占用較少的系統(tǒng)資源。

　?、艿统杀疽蟆榱私档统杀?，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(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(diào)度器的設計與實現(xiàn)

　　根據(jù)智能儀表對調(diào)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(diào)度的輕量級任務調(diào)度算法，并根據(jù)這種算法實現(xiàn)了應用于智能儀表的調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(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(diào)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(diào)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。