記錄儀實時多任務的研究
2011-08-29實時多任務系統(tǒng)應用極其廣泛，幾乎滲透到各行各業(yè)，系統(tǒng)分類也很復雜。在嵌入式系統(tǒng)中，實時多任務機制是依靠啟動之后運行的一段后臺任務管理程序實現(xiàn)的。應用程序運行在該管理器程序之上。后臺根據(jù)各個任務的要求，進行資源管理、消息管理、任務調度、異常處理等工作。其首要目的是調度一切可利用的資源實現(xiàn)實時控制任務。
實時系統(tǒng)主要有兩大類：軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)。軟實時系統(tǒng)的宗旨是使各個任務運行的越快越好，并不要求限定某一任務必須在多長時間內完成。在硬實時系統(tǒng)中，各任務不僅要執(zhí)行無誤而且要做到準時。大多數(shù)實時系統(tǒng)都是二者的結合。對于一個復雜任務系統(tǒng)，任務調度模式的選用是其系統(tǒng)架構的一個重點。無紙記錄儀具有多層次的界面管理和較高的實時響應需求，由此選擇與之相適應的系統(tǒng)任務調度模式是勢在必行的。
本論文綜合考慮了各任務響應的實時性需求，對任務進行了創(chuàng)造性的調整，進而將軟實時系統(tǒng)和硬實時系統(tǒng)進行了有機的結合，規(guī)劃出最為合理的任務調度模式。
1、記錄儀實時多任務的特點
通常的實時多任務操作系統(tǒng)都比較龐大，對于由單片機(80C320)組成的實時系統(tǒng)是不適用的。由于單片機的運算能力和內存有限，要求實時操作系統(tǒng)具有簡單實用、高效可靠的特性。就記錄儀而言，其任務和功能是預知的，則內存和文件管理系統(tǒng)可簡化，甚至取消[1]。因為任務對存儲器的要求是明確的，這樣就可以使用固定和獨立的存儲區(qū)域分配方案，無需通過OS來控制和分配。因此，實時多任務操作系統(tǒng)就可以簡化為基于任務調度與時鐘中斷管理為核心的調度模塊。記錄儀中的任務狀態(tài)有四種：運行、就緒、等待、掛起，睡眠狀態(tài)并入等待，不再另加以區(qū)分。
2、任務的劃分、組織和調度
2.1任務的劃分
在單片機實時多任務系統(tǒng)中，實現(xiàn)實時多任務機制的關鍵在于將系統(tǒng)功能合理地分解成各個任務模塊。劃分任務的原則：功能相對獨立，并能與其他程序同時執(zhí)行的程序劃分為一個任務。但任務劃分不能太細，否則將增加任務切換的系統(tǒng)開銷，降低系統(tǒng)效率并影響系統(tǒng)響應的實時性。文獻[2]指出，應盡量將關系密切的任務合并，減少任務間的通信。綜合考慮任務的實時性和執(zhí)行時間，記錄儀的十個任務可分為三類：
(1)高優(yōu)先級任務：下位機上傳采樣值的處理，虛擬通道組織，報警處理。這類任務實時性要求高，執(zhí)行時間<0.1s，如采樣值處理任務，記錄儀要保存采樣值作為歷史數(shù)據(jù)，保存過程中要加上時標，采樣值正確而時標錯誤的記錄是無效的。
(2)低優(yōu)先級任務：按鍵響應、顯示、PID控制、流量積算。這類任務執(zhí)行時間<0.2s，任務實時性要求一般。如按鍵響應任務，延遲0.5s是可以容忍的。
(3)后臺任務：存儲、打印、與管理機(PC)通信。這類任務的執(zhí)行時間>1s，對實時性的要求最低。
2.2任務的組織
系統(tǒng)上電，初始化每個任務的固定任務棧，建立任務隊列狀態(tài)表和任務控制表(TCB)，這兩張表是任務調度的依據(jù)。任務隊列狀態(tài)表由高優(yōu)先級、低優(yōu)先級、后臺任務三張子表組成;任務控制表由任務首地址、狀態(tài)寄存器、任務局部變量三部分組成，數(shù)據(jù)結構見圖1。
2.3基于消息驅動機制的任務調度
借鑒面向對象程序設計的思想，在記錄儀程序中引入消息概念，將任務的執(zhí)行條件轉換為消息，由消息對相應的任務進行激活，并由任務調度模塊實現(xiàn)調度。消息定義為：當某個事件(如中斷或某任務完成)發(fā)生時，事件處理程序設置相應的標志，不同的標志代表不同的消息。事件處理程序可以是中斷服務程序，也可以是執(zhí)行后需設置的標志的任務，因此，記錄儀中任務的調度是基于消息機制來驅動的。消息在多任務程序中的作用相當于橋梁，使任務間既相互獨立又有機關聯(lián)，任務之間不能直接調用，需借助消息，由任務調度模塊實施。
中斷服務程序由中斷消息(標志)處理程序和中斷任務處理程序兩部分組成，前者僅僅完成消息(標志)處理就退出中斷，而中斷真正要完成的操作，是在任務調度模塊的協(xié)調下，由中斷任務處理程序來完成。如按下顯示，則按鍵中斷消息處理程序只產(chǎn)生一個按鍵消息(標志)就退出中斷，而調度模塊依據(jù)按鍵消息，調用按鍵中斷任務處理程序獲取鍵值，并產(chǎn)生顯示消息。調度模塊依據(jù)顯示消息，調用顯示任務程序。
3、實時多任務調度策略
多任務的系統(tǒng)，通常采用內核來管理各個任務，也就是通過內核為每個任務分配CPU時間，并負責任務之間的通信。根據(jù)任務的調度機制，可以分為非占先式內核和占先式內核。前者要求每個任務能夠主動釋放CPU等資源，后者則支持對當前任務的CPU使用權的剝奪，從而使更高優(yōu)先級就緒任務得到CPU控制權進而執(zhí)行。
嵌入式系統(tǒng)采用何種調度策略，通常要考慮三個因素：系統(tǒng)的處理能力，任務的數(shù)目，系統(tǒng)對響應時間和執(zhí)行效率的要求。搶占式調度能改善高優(yōu)先級任務的實時性，但系統(tǒng)開銷較大;非搶占式調度恰好與搶占式相反。針對記錄儀，提出搶占式和非搶占式的復合多任務調度策略。記錄儀的正常工作周期為1s，調度模塊的工作周期亦為1s，并將1s分為三個時段：0s-0.5s，0.5-0.8s，0.8s-1s，實時時鐘在0s，0.5s，0.8s各產(chǎn)生一次中斷，將Time-flag分別設置為0，5，8，并將Attemper-flag置為0。任務調度程序框圖如圖2所示。
在記錄儀一個工作周期(1s)內，復合調度策略，允許高優(yōu)先級任務三次搶占低優(yōu)先級和后臺任務，而低優(yōu)先級任務具有兩次搶占后臺任務的權力。因此，高優(yōu)先級任務的響應時間t≤0.5s，低優(yōu)先級任務的響應時間t≤0.7s。由于搶占的次數(shù)有限，所以任務切換開銷不大，有利于提高系統(tǒng)效率。
搶占式和非搶占式的復合多任務調度策略已成功應用于某記錄儀，達到了預期的目標。
