一種時(shí)間觸發(fā)的多任務(wù)調度器設計

目前，嵌入式系統的硬件核心大致有兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能強大的嵌入式微處理器，使用這類(lèi)產(chǎn)品的系統一般功能強大，多數使用嵌入式操作系統，往往與無(wú)線(xiàn)通信、互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)以及多媒體處理等復雜而強大的功能聯(lián)系在一起；另一類(lèi)是微控制器，它通常以某一種微控制器內核為核心，芯片內部集成ROM、RAM、定時(shí)器、串行口等各種必要功能和外設。出于成本和技術(shù)上的考慮，這類(lèi)系統的軟件開(kāi)發(fā)還是基于處理器直接編寫(xiě)，沒(méi)有配備多任務(wù)操作系統作為開(kāi)發(fā)平臺，也不需要將系統軟件和應用軟件完全分開(kāi)處理。但在實(shí)際的應用中，很多時(shí)候也會(huì )面臨同時(shí)應付多種外設、處理多個(gè)任務(wù)的要求，這就需要安排一個(gè)調度器來(lái)完成多任務(wù)的處理。

本文設計并實(shí)現了一種基于時(shí)間觸發(fā)的多任務(wù)調度器。該調度器使用傳遞消息(message)的方式使得控制器在多個(gè)任務(wù)之間進(jìn)行切換。因為消息和任務(wù)一一對應，一個(gè)消息觸發(fā)一個(gè)任務(wù)，所以本文對兩者不做詳細區分。

1 嵌入式軟件的兩種觸發(fā)方式

嵌入式系統中，通常采用兩種本質(zhì)上不同的調度方式：事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級中斷實(shí)現，其發(fā)生時(shí)間具有隨機性；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)行驅動(dòng)的，系統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)中斷源在隨機的時(shí)間間隔內產(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復雜性，而且降低了對事件觸發(fā)系統在所有情況下行為的預計能力。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嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員頭腦中的一種錯誤觀(guān)念，這往往給所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品帶來(lái)災難性的后果。事件觸發(fā)系統的開(kāi)銷(xiāo)是人們經(jīng)常忽略的另一個(gè)問(wèn)題。Alexander Metzner專(zhuān)門(mén)討論了這種問(wèn)題并得出結論：一個(gè)包含27個(gè)任務(wù)、采用RM調度算法的事件觸發(fā)系統，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)的合作式調度器會(huì )使得系統有非常好的可預測性。因此，在某些與安全相關(guān)的應用系統中選用時(shí)間觸發(fā)方式，設計人員能預先安排可控的順序，保證一次只處理一個(gè)事件，提高系統的可靠性并減輕CPU的負荷。

2 時(shí)間觸發(fā)調度器的設計

調度器的設計主要包括3個(gè)方面：消息隊列、定時(shí)器和周期性任務(wù)調度。在調度器的實(shí)現中，將定時(shí)器的設置分離出來(lái)，并且定義不依賴(lài)于編譯器的數據類(lèi)型，通過(guò)修改這一部分可以輕松地將該調度器移植到多種硬件平臺上使用。

2.1 消息隊列的設計

圖1中，消息隊列MsgQue[]和定時(shí)隊列TmrQue[]是調度器的核心數據結構。為了減少時(shí)鐘中斷中對它們的處理時(shí)間，還設置了2個(gè)隊列――就緒索引隊列RdIdx[]和定時(shí)索引隊列TmrIdx[]。這4個(gè)隊列都由靜態(tài)數組實(shí)現。

消息隊列存放應用程序發(fā)送的單次消息和延時(shí)處理的消息。消息的數據結構是：

定時(shí)隊列TmrQue[]和定時(shí)索引隊列TmrIdx[]一一對應。其中，定時(shí)隊列中存放定時(shí)消息的延時(shí)時(shí)間；而相對應的TmrIdx[]項則指向定時(shí)消息在消息隊列中的位置。

要發(fā)送消息時(shí)，使用函數vdStrtTmrTsk(INT16UTmValue，struct Msg*pOutMsg)，將pOutMsg指向的消息結構放入隊列MsgQue[]中。具體的做法是：從數組的第一項開(kāi)始查找，找到空閑項放入新消息并將該項的狀態(tài)設置成BUFF-USED；然后將此消息項對應的索引值放入RdIdx[]的第一個(gè)空閑項中等待調度。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，并使用對應的TmrIdx[]項指向對應的消息。

圖1中MSG5對應的任務(wù)正在執行，MSG9是剛到期的定時(shí)消息，當前任務(wù)結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)器的設計

調度器必須先設定一個(gè)默認的時(shí)間片，這并不是件簡(jiǎn)單的事。時(shí)間片過(guò)長(cháng)會(huì )導致系統對交互行為的響應表現欠佳；時(shí)間片太短又會(huì )明顯地增大調度器處理耗時(shí)，而留給任務(wù)運行的時(shí)間卻很短。根據V850處理器在車(chē)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4 ms定時(shí)功能，可以計算出CR70的初值為156，程序實(shí)現如下：

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

2.3 周期性任務(wù)的處理方法

對于該系統，周期長(cháng)度必須是4 ms的整數倍。在每次時(shí)鐘中斷以后執行下面的函數，通過(guò)將要周期性執行的任務(wù)放入函數數組TskPatt[]()中就可以執行周期為8 ms、16 ms、32 ms、64 ms等周期性任務(wù)。

3 任務(wù)的調度

調度器的算法使用FCFS算法，就緒索引隊列RdIdx[]按順序存儲要處理的消息的索引。這里對延時(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前消息索引的后面(也就是位置RdIdx[1])，它就可以在下一次調度中得到處理。

任務(wù)調度由wucExecTsk(void)函數來(lái)完成。它取出MsgQue[RdIdx[0]]對應的消息，以該消息的目的模塊ID為索引，使用存放各個(gè)模塊人口函數的函數數組TskTb1[]()，就可以將該消息分發(fā)到相應的處理模塊。

因為該調度器是合作式的，所以每個(gè)任務(wù)處理函數都必須顯示地調用退出任務(wù)的函數，否則該任務(wù)會(huì )永遠的執行下去。因此，每個(gè)模塊的人口函數都調用退出任務(wù)的API：

在vdExtTsk()中，將當前任務(wù)在消息數組MsgQue[]中對應的數據項置成BUFF_EMPTY。同時(shí)，將就緒索引隊列里的數據都向前移動(dòng)，覆蓋當前消息的索引，原來(lái)的RdIdx[1]就變成當前任務(wù)的消息索引，參與下一輪調度。

4 應用實(shí)例

車(chē)載音響系統是一個(gè)復雜的嵌入式系統，它的微控制器要處理大量的外圍設備，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。使用上面介紹的調度結構既方便了程序的設計和維護，又解決了多個(gè)任務(wù)之間的調度問(wèn)題。

針對這個(gè)應用，模塊入口函數數組TskTb1[]如表1所列，使用函數數組的方式可以增強程序的擴展能力。如果有新的外設，只需在這里添加對應的模塊人口，并完成相應的模塊就可以增加系統的功能。

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

系統在NEC公司V850系列微控制器的開(kāi)發(fā)平臺上用C語(yǔ)言實(shí)現，調度器在車(chē)載音響系統中很好地發(fā)揮了作用，系統的交互行為良好，輸入、輸出都感覺(jué)不到延遲。該系統已經(jīng)應用在某型號的汽車(chē)上。

結 語(yǔ)

在工程中采用事件觸發(fā)模式很大程度上會(huì )增加系統的復雜性；而商業(yè)實(shí)時(shí)操作系統往往價(jià)格昂貴，并且需要很大的操作系統開(kāi)銷(xiāo)。本文設計并實(shí)現了基于時(shí)間觸發(fā)的調度器，它通過(guò)傳遞消息的方式完成多任務(wù)的切換，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)、簡(jiǎn)單、可預測性等工程要求。這種設計還使得系統易于開(kāi)發(fā)和維護，應用于車(chē)載音響系統中取得了很好的效果。