通過任務分割提高嵌入式系統(tǒng)的實時性

摘要：分析長任務對嵌入式系統(tǒng)實時性的影響，在此基礎上提出任務分割是提高嵌入式系統(tǒng)實時性的一種有效途徑；總結長任務分割的方法，給出一個通過任務分割提高嵌入式系統(tǒng)實時性的實例。

    關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 實時內(nèi)核 時間片 任務分割

引言

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對系統(tǒng)實時性的要求越來越高。計算機技術的進步客觀上也為進一步提高實時性提供了可能。因此近年來，嵌入式實時系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為單片同應用領域的又一大熱點，實編排軟件也越來越多，有商業(yè)軟件，也有免費的代碼。然而影響系統(tǒng)實時性的因素很多，有硬件，也有軟件的。這就決定了提高系統(tǒng)的實時性并不是一件十分容易的事情，除了使用高性能的CPU和高效的實時內(nèi)核外，在實時系統(tǒng)應用的過程中，還要結合具體情況進行具體分析，充分利用CPU的效率，挖掘內(nèi)核的實時潛能。

1 任務與嵌入式多任務實時系統(tǒng)

1.1 任務與多任務

在嵌入式多任務實時系統(tǒng)時，任務是指一個程序分段。這個分段被操作系統(tǒng)當作一個基本單元來調(diào)度。

典型地，每個任務都是一個無限的循環(huán)，而且在同一時刻只能處于以下5種狀態(tài)之一。這5種狀態(tài)是休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、等待態(tài)和被中斷態(tài)，如圖1所示。

多任務系統(tǒng)的執(zhí)行過程實際上就是一系列任在這5種狀態(tài)中循環(huán)流動、輪流被內(nèi)核調(diào)度的過程。多任務運行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應用程序模塊化。

1.2 嵌入式多任務實時系統(tǒng)

RTOS本質上就是嵌入的實時內(nèi)核，它負責管理各個任務，或者說是為每上任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信。實時內(nèi)核可分為可剝奪型和不同剝奪型兩類。因此，按照所使用內(nèi)核的不同，嵌入式實時系統(tǒng)也可分為兩類：使用不可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實時系統(tǒng)和使用可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實時系統(tǒng)。

2 實時系統(tǒng)中的長任務問題

2.1 長任務的定義

在RTOS中，長任務就是指整個任務的執(zhí)行時間較長，超出了RTOS中其它某一個或某幾個任務的實時要求容限，而對整個RTOS的實時性構成威脅的那些任務。

2.2 長任務對RTOS的影響

當使用可剝奪型實時內(nèi)核時，長任務由于執(zhí)行的時間較長，因而更容易被高優(yōu)先級的任務打斷；一旦高優(yōu)先級的任務進入了就緒態(tài)，當前任務的CPU使用權就被剝奪了，或者說任務被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務立刻得到了CPU的控制權。這樣會出現(xiàn)兩個問題：一是長任務可能在一次執(zhí)行的過程中被頻敏打斷，長時間得不到一次完整的執(zhí)行；二是長任務被打斷時，可能要保存大量的現(xiàn)場信息，其目的是為了保證在高優(yōu)先級的任務執(zhí)行完返回后，長任務能得以繼續(xù)執(zhí)行。然而，這樣做要占用一定的系統(tǒng)資源，同時保存現(xiàn)場本身也是要占用CPU時間的，因此，實時性也會下降。

    當使用不可剝奪型實時內(nèi)核時，長任務對RTOS的影響更為明顯，因為在這種內(nèi)核中，任務級響應時間取決于最長的任務執(zhí)行時間。這也就是說由于長任務的存在，任務級的響應時間要變長。其結果是CPU長時間停留在長任務中，其它的任務得不到實時的響應，甚至于根本得不到執(zhí)行，系統(tǒng)的實時性勢必要下降。

總之，無論是使用可剝奪型內(nèi)核，還是使用不可剝奪型內(nèi)核，長任務都會對RTOS構成嚴重的威脅。

3 長任務問題的解決

解決長任務問題最有效的途徑是進行任務分割。所謂任務分割指將影響系統(tǒng)實時性的長任務分割成若干個小任務。這樣單個任務的執(zhí)行時間變短，系統(tǒng)的任務級響應時間變短，實時性提高。

3.1 對RTOS的分析與計算

當然，長任務的分割必須結合系統(tǒng)中所使用的內(nèi)核，以及各任務對實時性的要求情況，進行必要的分析計算，才能保證分割的合理性和有效懷，具體的步驟如下：

①分析系統(tǒng)共有多少個任務，這些任務對實時性的要求有多高，求出各個任務所要求的最小執(zhí)行頻率f1，f2，f3……fn。

②計算目前各任務的實際執(zhí)行時間t1，t2，t3……tn。

③確定系統(tǒng)中的長任務

如果max(t1,t2,t3……tn)≤min（1/f1,1/f2，1/f3……1/fn）

則此系統(tǒng)中不存在長任務。

如果max(t1,t2,t3……tn)>min(1/f1,1/f2,1/f3……1/fn)

則存在長任務，而且執(zhí)行時間為max（t1,t2,t3……tn）的那個任務就是要找的長任務。

④分析此長任務是否需要分割

分析一下是什么原因導致執(zhí)行的時間過長，這個時間還能夠通過程序的優(yōu)化來縮短？如果能，則不需要進行任務分割；否則要對這個長任務進行分割。

    3.2 任務分割

常用的任務分割的方法有以下兩種：

①將長任務按功能分為若干個小模塊，每一個模塊構成一個小任務，每個小任務執(zhí)行一個相對獨立的功能，且要保證執(zhí)行時間t<min（1/f1,1/f2,1/f3……1/fn）。各個任務被內(nèi)核順序調(diào)用，合起來完成整個任務的功能。

②有的長任務比較特殊，例如鍵盤任務和動態(tài)LED顯示任務，很難按照方法1所說的把它分成若干個功能相對獨立的小模塊。這時，一般是按照方便保存現(xiàn)場信息原則，強制將其分割成若干個小任務，每個任務在min(1/f1,1/f2,1/f3……1/fn)時間內(nèi)主動保存現(xiàn)場信息、放棄CPU的控制權，等到再次被內(nèi)核調(diào)度時繼續(xù)執(zhí)行。

這種分割方法相對復雜，各任務之間界限不是很明顯，看似未經(jīng)分割，但實際上它確實是由多次任務中斷來完成。下面就以這種分割方法為例具體說明。

4 實例分析

4.1 系統(tǒng)介紹

在此，系統(tǒng)的硬件基礎是基于MC68HC908GP32單片機系統(tǒng)的，用其普通I/O口作為矩陣式鍵盤的輸入輸出引腳；軟件基礎是在MC68HC908GP32中運行Motorola公司的Joanne Santangeli編寫的基于時間片的不可剝奪的實時內(nèi)核，如圖2所示。

    此內(nèi)核主要是利用微控制器內(nèi)部的時間模塊產(chǎn)生恒定的實時中斷，將CPU的運行時間分成一個個時間片。內(nèi)核的任務調(diào)度工作都是在時間片的開始階段完成的，而每個任務都必須在單個時間片內(nèi)完成。

在這個內(nèi)核中，每0.5ms發(fā)生1次時鐘中斷，而每10次時鐘中斷組成了1個時間片（5ms）。任務1的優(yōu)先級最高，每2個時間片（10ms）會執(zhí)行1次，任務2每4個時間片（20ms）執(zhí)行1次，優(yōu)先級最低的任務6則每64個時間片（320ms）會執(zhí)行1次。

4.2 系統(tǒng)中的鍵盤任務問題

在單片機系統(tǒng)中，鍵盤主要用于輸入數(shù)據(jù)、代碼和命令，因此系統(tǒng)必須循環(huán)不停地掃描掃描；一是有鍵波按下，CPU立即做出響應。鍵盤任務子程序也是根據(jù)這個要求而設計的。一般有兩種處理方式：一是中斷方式，二是查詢方式。從有鍵按下時開始，到按鍵釋放并轉相應子程序而終止。該任務被內(nèi)核調(diào)度的情況如圖3所示。

圖3中，Δt是人手按鍵的時間，一般為100～300ms。為了能說明問題，這里取100ms。

令 t1'-t1=Δt1,t2'-t2=Δt2

則一次鍵盤任務的執(zhí)行時間

Δt'=t'2-t'1=t2+(t'2-t2)-[t1+(t'1-t1)]=

t2+Δt2-t1-Δt1=

t2-t1+(Δt2+Δt1)=

Δt+(Δt2-Δt1)

由圖3可知

Δt1≤tms Δt2≤5ms

實際上，由于兩次任務執(zhí)行的情況不完全相同，Δt1與Δt2可能會有相當于幾個指令周期的時間差異，但也只是μs級的誤差。而且，這里是以時間片的形式來計算的，所以依然可以認為

Δt2-Δt1=0

因而有

Δt'=Δt+(Δt2-Δt1)=Δt=100ms(20個時間片)

也就是說，在這20個時鐘片內(nèi)只執(zhí)行1次鍵盤任務，大部分的時間都在空等待。在此期間，系統(tǒng)中會有20-1=19次其它任務的執(zhí)行被錯過，圖3中虛線所示就是在此100ms期間被錯過執(zhí)行的19個任務。顯然，這在大多數(shù)多任務系統(tǒng)中都是不允許的。

因此，在這個多任務實時系統(tǒng)中，鍵盤任務是個典型的長任務，要使其它19次任務中斷都有被應用的機會，必須對該鍵盤任務進行分割。

4.3 鍵盤任務的分割

鍵盤分割的方法是將一次鍵盤任務分成多個小任務，通過多次任務中斷來完成。我們將其放在任務4中（80ms執(zhí)行1次）。這樣有ttask4≤ttask≤2ttask4，即可以保證鍵盤任務完整可靠地執(zhí)行，又提高了CPU的效率。圖4是分割后的鍵盤任務的執(zhí)行過程。

    從圖4可以看出，1次完整的鍵盤任務是由2～3次任務中斷來完成的。情況a中，每一次任務中斷發(fā)生在ta1時刻，在接下來的一個時間片（5ms）內(nèi)，檢測到有鍵按下，調(diào)用查詢值任務；第一次任務中斷發(fā)生在ta2時刻，在接下來的一個時間片（5ms）內(nèi)，檢測到按鍵已釋放，跳轉并執(zhí)行相應鍵處理程序。

情況b中，第二次任務中斷時（tb2時刻），鍵還沒有松開，因此實際上什么也不做；第三次中斷（tb3時刻）才跳到與鍵值對應的子程序。

通過這樣的分割，每個子任務都可以在5ms內(nèi)完成。如果系統(tǒng)中還有大于5ms的長任務的話，可按此法繼續(xù)進行分割；如果沒有的話，系統(tǒng)任務級響應時間一定小于5ms。這樣，此系統(tǒng)的實時性大大提高，由100ms提高到5ms。本刊網(wǎng)絡補充版（http://www.dpj.com.cn）中，介紹了此任務改進后的部分源程序。

結語

通過任務分割，可以顯著地提高多任務系統(tǒng)的實時性。本文改進后的源程序已經(jīng)在基于MC68HC908GP32的溫室控制器中成功地運行過。除此以外，還成功地對LED和SCI任務進行了分割。改進后，除了實時性大大提高外，CPU的執(zhí)行效率也有顯著提高。