一種基于比特表的實時多任務(wù)新調(diào)度算法
關(guān)鍵詞：比特表 時間片 實時處理
引言
在微機(jī)控制領(lǐng)域中，許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)RTCS（Real Time Control System）。在實時控制系統(tǒng)中，為了很好地完成外界信息的實時測量、計算和相應(yīng)的多種實時控制操作，必須達(dá)到兩個設(shè)計目標(biāo)；實時性和并行性。即既要保證系統(tǒng)對外界信息以足夠快的速度進(jìn)行相應(yīng)處理，又要同時完成多種任務(wù)操作。在這里，多種任務(wù)之間的調(diào)度是個關(guān)鍵。
RTCS中允許多個實時任務(wù)并行地運行。例如，一測控系統(tǒng)中，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、鍵盤處理、定時打印等任務(wù)。在單機(jī)系統(tǒng)中，這些任務(wù)在宏觀上是同時運行的，但在微觀上只有一個任務(wù)運行。在RTCS中每個任務(wù)有三種狀態(tài)，即運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和空閑狀態(tài)。某個任務(wù)一旦建立后即處于這三種狀態(tài)之一。處于運行狀態(tài)的任務(wù)獨占CPU和其它一些資源；就緒狀態(tài)是某個任務(wù)現(xiàn)在應(yīng)該運行，但由于其它任務(wù)正在運行，故只能暫時等待；當(dāng)激發(fā)某個任務(wù)的條件不完備時，此任務(wù)就處于空閑狀態(tài)。
RTCS中的多個任務(wù)依靠任務(wù)調(diào)度程序來決定系統(tǒng)中哪個任務(wù)可以獲得CPU等資源或應(yīng)暫時退出運行狀態(tài)等，從而完成每個任務(wù)三態(tài)間的轉(zhuǎn)換。在RTCS中，任務(wù)調(diào)度算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的實時性能與并行性能。
RTCS中較簡單的任務(wù)調(diào)度算法有“先來先執(zhí)行的調(diào)度算法”、“按時間片循環(huán)執(zhí)行的調(diào)度算法”。前者，當(dāng)實時性比較差的任務(wù)長時間占用CPU時，會使得實時性較高的任務(wù)得不到及時處理，影響系統(tǒng)的實時性；后者，按照“先入先出”的原則激活某個任務(wù)，并分配給它們相等的時間片，從而使得多個任務(wù)有平等的享用CPU的權(quán)利。當(dāng)時間片用完時，讓任務(wù)“暫時”又處于就緒狀態(tài)，并激活下一個任務(wù)。這種算法的實時性有一定程序的提高，但由于各任務(wù)簡單均勻地循環(huán)輪回，從而使得實時性要求較高的任務(wù)得不到優(yōu)先處理。由于各時間片相等且固定，很容易被某些緊急任務(wù)打斷。在實時性要求較高而且任務(wù)較多的復(fù)雜情況下，各個任務(wù)的實時性要求不盡相同，不能簡單地均勻分時處理任務(wù)。
基于比特表的任務(wù)調(diào)度算法，關(guān)鍵在于將CPU的全部時間化成若干個相等的時隙，同時根據(jù)任務(wù)的數(shù)目制定一張表格，以此來指示某一時刻的任務(wù)運行。它把任務(wù)按照實時性要求分成中斷級、時鐘級、基本級三類，而且它們的優(yōu)先級依次遞減。優(yōu)先級越高，就越處于比特表的頂端位置。比特表是按照任務(wù)的優(yōu)先級排隊的，首先滿足實時性較強(qiáng)的中斷級和時鐘級，而不管實時性最低的基本級任務(wù)。這樣，時鐘級任務(wù)一定能得到即時有效的處理，其實時性可以得到較好的保障，基本級任務(wù)可以沒有時間限制。但是，時鐘級任務(wù)的實時性并不是完全能夠得到保障。下面舉例討論比特表算法的不足之處。
圖2 任務(wù)的啟動順序和運行時間
假定有表1所示的五種任務(wù)，按照常規(guī)比特表算法根本無法設(shè)計出這樣的比特表。當(dāng)時鐘級的各級每次運行時間之和沒有達(dá)到5ms時，比特表算法能夠很好地滿足系統(tǒng)實時性要求；然而，當(dāng)中斷級和時鐘級的每次運行時間之和大于或者等于最高級實時性要求，更有甚者，當(dāng)有一個時鐘級任務(wù)的運行時間超過最高級實時性要求時，比特表算法就會失效。因為常規(guī)的比特表算法要求，只要激活比特表中安排的中斷級和時鐘級任務(wù)就必須一次執(zhí)行完，否則，如果這個任務(wù)被中斷就無法再得到執(zhí)行。由于圖像處理的運行時間為5ms，加上中斷級任務(wù)執(zhí)行時間，因此設(shè)計時隙必須大于5ms；而比特表的設(shè)計方法時隙只可能小于等于5ms（中斷級任務(wù)和實時性最高的時鐘級任務(wù)決定的）。所以，無論安排怎樣的比徨表都無法使任務(wù)D滿足實時性要求。基于這兩種情況，本文提出一種用賦有優(yōu)先權(quán)的時間來填充比特表的算法，以改善這兩種情況。
表1 實時性要求和各任務(wù)運行時間表
| 序 號 | 任 務(wù) | 優(yōu)先級 | 實時性要求/ms | 每次運行時間/ms |
| A | 數(shù)據(jù)采集 | 時鐘級 | 5 | 1 |
| B | 端口檢測 | 時鐘級 | 10 | 2.5 |
| C | 鍵盤掃描 | 時鐘級 | 15 | 1 |
| D | 圖像處理 | 時鐘級 | 30 | 5 |
| E | 打印數(shù)據(jù) | 基本級 | 無實時要求 | 200 |
1 比特表的改進(jìn)算法
這種改進(jìn)算法的關(guān)系在于把各任務(wù)劃分為若干時間片，然后再根據(jù)實時性要求填入比特表中。根據(jù)比特表的設(shè)計方法，時隙間隔定為5ms，總時隙數(shù)為LCM（10/5，20/5，30/5）=6。把各中斷級和時鐘級任務(wù)運行時間的最大公約數(shù)定為時間片。即有如下計算公式：
T=GCD{Ti}
T為時間片，Ti為時鐘級和中斷級任務(wù)實時性要求，GCD（Greatest Common Divisor）求最大公約數(shù)，LCM（Lowest Common Multiple）求最小公倍數(shù)。
本例中的時間片T=GCD{0.5,1,2.5,1,5}=0.5ms。（假設(shè)時鐘中斷處理時間為0.5ms）。
時間片的分配，必須遵循以下原則：
①滿足實時性要求；
②確保每一個時隙中所有分配的任務(wù)都必須完全運行；
③均衡考慮CPU對各任務(wù)的運行，優(yōu)先考慮時鐘級任務(wù)和中斷級任務(wù)。
按上述原則，中斷級任務(wù)分1個時間片，時鐘級1分配2個時間片，時鐘級2分配3個時間片，時鐘級3分配1個時間片，時鐘級4分配2個時間片，而將每個時隙剩余的時間分配給基本級任務(wù)。這樣，即使是在系統(tǒng)最繁忙的時候也有一個時間片分配給基本級任務(wù)，從而彌補了比特表算法的不足。
綜上所述，設(shè)計圖1所示的比特表。
此比特表的時隙任務(wù)安排完全滿足實時性要求。A任務(wù)每時隙運行1次，每時隙運行2個時間片。A任務(wù)每5ms運行1次。B任務(wù)每10ms運行1次，C任務(wù)每20ms運行1次。由此可以得到各任務(wù)的啟動順序及執(zhí)行時間如圖2所示。圖2中，I表示時鐘中斷處理程序，它的優(yōu)先級最高。A、B、C、D為時鐘級任務(wù)，其中A的優(yōu)先級較高。將I、A、B、C、D處理完后余下的時間留給基本級E。
2 程序設(shè)計值得注意的問題
在任務(wù)調(diào)度算法中，關(guān)鍵是如何確定就緒隊列、任務(wù)控制數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和解決資源沖突。就緒隊列指明了在某一時刻已就緒、可被執(zhí)行的任務(wù)隊列。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上通?？捎梦挥诚竦姆椒▉韺崿F(xiàn)。如系統(tǒng)的最多任務(wù)為32個，可采用4個字節(jié)的每一位來對應(yīng)人某個任務(wù)。若此位為“1”，則表明該任務(wù)就緒；若為“0”，則表明任務(wù)空閑。并且可規(guī)定低位所代表的任務(wù)優(yōu)先級高于高位所指示的任務(wù)。
某個任務(wù)投入運行時需保護(hù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都存入一個地址固定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，稱為任務(wù)控制數(shù)據(jù)塊。需保護(hù)的內(nèi)容應(yīng)按應(yīng)用程序的特點來決定。對于常用的MCS51系列的單片機(jī)來說，現(xiàn)場保護(hù)數(shù)據(jù)一般應(yīng)包括PC、ACC、PSW、SP、DPTR等寄存器內(nèi)容。任務(wù)控制數(shù)據(jù)塊一般放在外部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。為了查找方便，可以按任務(wù)號將各個任務(wù)數(shù)據(jù)塊的首地址編成一個一維表格，表格的每行對應(yīng)各任務(wù)數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)首地址，如圖3所示。
在任務(wù)調(diào)度程序中，還應(yīng)很好地解決資源的互斥問題，即保證不可共享的資源只被一個任務(wù)所訪問。在RTCS中，各任務(wù)間并非完全隔絕，它們相互合作、相互競爭。例如，某系統(tǒng)中數(shù)據(jù)顯示任務(wù)要定時顯示某數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)計算任務(wù)也要在某種情況下計算、刷新此數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容。在這里，數(shù)據(jù)計算任務(wù)在運行時就不允許讓顯示任務(wù)中斷計算任務(wù)；否則，有可能導(dǎo)致顯示的數(shù)據(jù)不正確。解決資源競爭的方法往往是在主程序中設(shè)置一標(biāo)志字節(jié)或標(biāo)志位。例如，顯示任務(wù)在運行時首先判斷此標(biāo)志，若發(fā)現(xiàn)計算任務(wù)尚未完成，則不做任何工作直接退出任務(wù)。
3 小結(jié)
RTCS中的實時性和并行性是非常重要的，但兩者之間有一定的矛盾。完全實現(xiàn)在兩大特性的重要手段就是，采用有效的任務(wù)調(diào)度算法程序來協(xié)調(diào)兩者之間的矛盾，從而保證系統(tǒng)的實時性和并行性。在簡單系統(tǒng)中，“按時間片循環(huán)”調(diào)度算法已能初步滿足要求；但在較復(fù)雜和要求較高的系統(tǒng)中，這顯然不滿足需要。基于BitMap的調(diào)度算法能較好地滿足比較復(fù)雜系統(tǒng)的要求，而對于前面講到的系統(tǒng)中要求執(zhí)行時間長、實時性要求較高的任務(wù)而言，單純的BitMap算法無法滿足要求，這個時候我們提出將比特表的時隙細(xì)分成時間片進(jìn)行分配，這比BitMap按照任務(wù)進(jìn)行分配的算法更能解決復(fù)雜任務(wù)的實時性要求。只要有效地確定任務(wù)數(shù)目和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，RTCS中的實時性和并行性就能得到有效提高。
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