一種時(shí)間觸發(fā)的多任務(wù)調(diào)度器設(shè)計(jì)

目前，嵌入式系統(tǒng)的硬件核心大致有兩大類：一類是功能強(qiáng)大的嵌入式微處理器，使用這類產(chǎn)品的系統(tǒng)一般功能強(qiáng)大，多數(shù)使用嵌入式操作系統(tǒng)，往往與無(wú)線通信、互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)以及多媒體處理等復(fù)雜而強(qiáng)大的功能聯(lián)系在一起；另一類是微控制器，它通常以某一種微控制器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、定時(shí)器、串行口等各種必要功能和外設(shè)。出于成本和技術(shù)上的考慮，這類系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)還是基于處理器直接編寫，沒(méi)有配備多任務(wù)操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也不需要將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件完全分開(kāi)處理。但在實(shí)際的應(yīng)用中，很多時(shí)候也會(huì)面臨同時(shí)應(yīng)付多種外設(shè)、處理多個(gè)任務(wù)的要求，這就需要安排一個(gè)調(diào)度器來(lái)完成多任務(wù)的處理。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于時(shí)間觸發(fā)的多任務(wù)調(diào)度器。該調(diào)度器使用傳遞消息(message)的方式使得控制器在多個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行切換。因?yàn)橄⒑腿蝿?wù)一一對(duì)應(yīng)，一個(gè)消息觸發(fā)一個(gè)任務(wù)，所以本文對(duì)兩者不做詳細(xì)區(qū)分。

1 嵌入式軟件的兩種觸發(fā)方式

嵌入式系統(tǒng)中，通常采用兩種本質(zhì)上不同的調(diào)度方式：事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級(jí)中斷實(shí)現(xiàn)，其發(fā)生時(shí)間具有隨機(jī)性；而時(shí)間觸發(fā)方式則不同，它是通過(guò)一個(gè)全局時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)的行為不僅在功能上確定，而且在時(shí)間上也是確定的。

1.1 事件觸發(fā)方式存在的問(wèn)題

如果多個(gè)中斷源在隨機(jī)的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生中斷，則需要處理同時(shí)發(fā)生的多個(gè)事件。這樣不但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，而且降低了對(duì)事件觸發(fā)系統(tǒng)在所有情況下行為的預(yù)計(jì)能力。實(shí)際上，在同時(shí)有幾個(gè)有效中斷源的情況下，幾乎不可能創(chuàng)建代碼來(lái)正確處理所有可能的中斷組合。中斷事件不會(huì)丟失是存在于絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員頭腦中的一種錯(cuò)誤觀念，這往往給所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品帶來(lái)災(zāi)難性的后果。事件觸發(fā)系統(tǒng)的開(kāi)銷是人們經(jīng)常忽略的另一個(gè)問(wèn)題。Alexander Metzner專門討論了這種問(wèn)題并得出結(jié)論：一個(gè)包含27個(gè)任務(wù)、采用RM調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實(shí)際利用率僅為18％。

1.2 時(shí)間觸發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)

Kopetz首先提出：使用基于時(shí)間觸發(fā)的合作式調(diào)度器會(huì)使得系統(tǒng)有非常好的可預(yù)測(cè)性。因此，在某些與安全相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)中選用時(shí)間觸發(fā)方式，設(shè)計(jì)人員能預(yù)先安排可控的順序，保證一次只處理一個(gè)事件，提高系統(tǒng)的可靠性并減輕CPU的負(fù)荷。

2 時(shí)間觸發(fā)調(diào)度器的設(shè)計(jì)

調(diào)度器的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面：消息隊(duì)列、定時(shí)器和周期性任務(wù)調(diào)度。在調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)中，將定時(shí)器的設(shè)置分離出來(lái)，并且定義不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型，通過(guò)修改這一部分可以輕松地將該調(diào)度器移植到多種硬件平臺(tái)上使用。

2.1 消息隊(duì)列的設(shè)計(jì)

圖1中，消息隊(duì)列MsgQue[]和定時(shí)隊(duì)列TmrQue[]是調(diào)度器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了減少時(shí)鐘中斷中對(duì)它們的處理時(shí)間，還設(shè)置了2個(gè)隊(duì)列——就緒索引隊(duì)列RdIdx[]和定時(shí)索引隊(duì)列TmrIdx[]。這4個(gè)隊(duì)列都由靜態(tài)數(shù)組實(shí)現(xiàn)。

消息隊(duì)列存放應(yīng)用程序發(fā)送的單次消息和延時(shí)處理的消息。消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：

定時(shí)隊(duì)列TmrQue[]和定時(shí)索引隊(duì)列TmrIdx[]一一對(duì)應(yīng)。其中，定時(shí)隊(duì)列中存放定時(shí)消息的延時(shí)時(shí)間；而相對(duì)應(yīng)的TmrIdx[]項(xiàng)則指向定時(shí)消息在消息隊(duì)列中的位置。

要發(fā)送消息時(shí)，使用函數(shù)vdStrtTmrTsk(INT16UTmValue，struct Msg*pOutMsg)，將pOutMsg指向的消息結(jié)構(gòu)放入隊(duì)列MsgQue[]中。具體的做法是：從數(shù)組的第一項(xiàng)開(kāi)始查找，找到空閑項(xiàng)放入新消息并將該項(xiàng)的狀態(tài)設(shè)置成BUFF-USED；然后將此消息項(xiàng)對(duì)應(yīng)的索引值放入RdIdx[]的第一個(gè)空閑項(xiàng)中等待調(diào)度。如果發(fā)送的是延時(shí)消息，則要使用vdStrtTmrTsk(INT16U TmValue，structMsg*pOutMsg)將延時(shí)時(shí)間放入TmrQue[]中，并使用對(duì)應(yīng)的TmrIdx[]項(xiàng)指向?qū)?yīng)的消息。

圖1中MSG5對(duì)應(yīng)的任務(wù)正在執(zhí)行，MSG9是剛到期的定時(shí)消息，當(dāng)前任務(wù)結(jié)束后就可以處理該消息。MSG7是未到期的定時(shí)消息，其他2個(gè)都是已就緒待處理的消息。

2.2 定時(shí)器的設(shè)計(jì)

調(diào)度器必須先設(shè)定一個(gè)默認(rèn)的時(shí)間片，這并不是件簡(jiǎn)單的事。時(shí)間片過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)交互行為的響應(yīng)表現(xiàn)欠佳；時(shí)間片太短又會(huì)明顯地增大調(diào)度器處理耗時(shí)，而留給任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間卻很短。根據(jù)V850處理器在車載音響上的實(shí)際需要，選擇4 ms作為時(shí)間片。

在V850處理器中使用TM0定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)4 ms定時(shí)功能，可以計(jì)算出CR70的初值為156，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中，掃描定時(shí)隊(duì)列TmrQue口。如果有延時(shí)到期的任務(wù)，則將其從定時(shí)隊(duì)列中刪除并放在就緒索引隊(duì)列RdIdx[]中去。對(duì)定時(shí)器相關(guān)的操作涉及具體的平臺(tái)，在不同平臺(tái)上移植調(diào)度器時(shí)需要修改這一部分。

2.3 周期性任務(wù)的處理方法

對(duì)于該系統(tǒng)，周期長(zhǎng)度必須是4 ms的整數(shù)倍。在每次時(shí)鐘中斷以后執(zhí)行下面的函數(shù)，通過(guò)將要周期性執(zhí)行的任務(wù)放入函數(shù)數(shù)組TskPatt[]()中就可以執(zhí)行周期為8 ms、16 ms、32 ms、64 ms等周期性任務(wù)。

3 任務(wù)的調(diào)度

調(diào)度器的算法使用FCFS算法，就緒索引隊(duì)列RdIdx[]按順序存儲(chǔ)要處理的消息的索引。這里對(duì)延時(shí)消息做特殊處理，如圖1所示，消息MSG9的延時(shí)時(shí)間剛到，它的索引被插入到當(dāng)前消息索引的后面(也就是位置RdIdx[1])，它就可以在下一次調(diào)度中得到處理。

任務(wù)調(diào)度由wucExecTsk(void)函數(shù)來(lái)完成。它取出MsgQue[RdIdx[0]]對(duì)應(yīng)的消息，以該消息的目的模塊ID為索引，使用存放各個(gè)模塊人口函數(shù)的函數(shù)數(shù)組TskTb1[]()，就可以將該消息分發(fā)到相應(yīng)的處理模塊。

因?yàn)樵撜{(diào)度器是合作式的，所以每個(gè)任務(wù)處理函數(shù)都必須顯示地調(diào)用退出任務(wù)的函數(shù)，否則該任務(wù)會(huì)永遠(yuǎn)的執(zhí)行下去。因此，每個(gè)模塊的人口函數(shù)都調(diào)用退出任務(wù)的API：

在vdExtTsk()中，將當(dāng)前任務(wù)在消息數(shù)組MsgQue[]中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)置成BUFF_EMPTY。同時(shí)，將就緒索引隊(duì)列里的數(shù)據(jù)都向前移動(dòng)，覆蓋當(dāng)前消息的索引，原來(lái)的RdIdx[1]就變成當(dāng)前任務(wù)的消息索引，參與下一輪調(diào)度。

4 應(yīng)用實(shí)例

車載音響系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，它的微控制器要處理大量的外圍設(shè)備，如圖2所示。為了便于開(kāi)發(fā)，將程序按照硬件的功能劃分模塊，各個(gè)模塊之間通過(guò)傳遞消息的方式來(lái)完成多任務(wù)的處理。使用上面介紹的調(diào)度結(jié)構(gòu)既方便了程序的設(shè)計(jì)和維護(hù)，又解決了多個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度問(wèn)題。

針對(duì)這個(gè)應(yīng)用，模塊入口函數(shù)數(shù)組TskTb1[]如表1所列，使用函數(shù)數(shù)組的方式可以增強(qiáng)程序的擴(kuò)展能力。如果有新的外設(shè)，只需在這里添加對(duì)應(yīng)的模塊人口，并完成相應(yīng)的模塊就可以增加系統(tǒng)的功能。

系統(tǒng)的周期性任務(wù)如表2所列。系統(tǒng)中按鍵使用的是矩陣鍵盤，4 ms時(shí)間太短不足以檢測(cè)出鍵值，這里是通過(guò)每次掃描一行的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)在NEC公司V850系列微控制器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，調(diào)度器在車載音響系統(tǒng)中很好地發(fā)揮了作用，系統(tǒng)的交互行為良好，輸入、輸出都感覺(jué)不到延遲。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在某型號(hào)的汽車上。

結(jié) 語(yǔ)

在工程中采用事件觸發(fā)模式很大程度上會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性；而商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴，并且需要很大的操作系統(tǒng)開(kāi)銷。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間觸發(fā)的調(diào)度器，它通過(guò)傳遞消息的方式完成多任務(wù)的切換，可以滿足實(shí)時(shí)、簡(jiǎn)單、可預(yù)測(cè)性等工程要求。這種設(shè)計(jì)還使得系統(tǒng)易于開(kāi)發(fā)和維護(hù)，應(yīng)用于車載音響系統(tǒng)中取得了很好的效果。