一种嵌入式微调度器的实现方法

        智能仪表逐渐向数字化、网络化、智能化方向发展；同时，智能仪表复杂度不断增加，对实时性要求几乎达到了苛刻的程度。在编程方式和代码重复利用等方面，超循环方式的智能仪表越来越不能满足资源管理和系统的实时要求，迫切需要在中低端智能仪表中加入一些轻量级的多任务管理的调度器或实时操作系统。本文根据智能仪表对嵌入式操作系统的特殊要求设计了一种新的任务调度算法，并实现了一个应用于中低端仪器仪表的嵌入式微调度器。

       1 实时任务调度的一般方法和策略

        在实时操作系统中，系统把应用分为行为可以预知的、功能确定的多个任务。每个任务一般处于3种状态；执行状态、就绪状态和等待状态(有的操作系统还具有挂起和休眠状态)。为了满足实时性要求，系统根据一定的原则选择合适的任务执行。

        常见的任务调度算法分为静态算法和动态算法两类：

        ①静态算法：在系统在运行前(即系统初始化阶段)，就为所有的任务分配固定的优先级别，在系统执行过程中优先级保持不变。当一个事件发生时，调度程序只需要查就绪表，就可以调度哪个任务处于运行状态。

        ②动态算法：在系统初始化时初步分配一个优先级。每一个任务在运行时可以改变它的优先级。

        当前的嵌入式操作系统一般采用静态算法，只在处理优先级反转时临时采用动态优先级算法。

        2 仪器仪表对调度算法的要求

        为了提高仪表的可靠性，实现高性能、多功能应用，应用于智能仪表的调度器必须满足以下要求：

        ①良好的实时性。智能仪表必须实时地对通过现场总线采集的数据进行数字编码，通过人机界面进行显示，并把用户对被监控系统的参数设置实时地传送给执行部件。

        ②基于优先级的任务调度策略。在复杂的大规模应用中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，对其数据显示和传输控制需要通过不同优先级的任务来控制。

        ③低消耗要求。随着应用环境的复杂化，对智能仪表的计算能力要求越来越高，势必要求调度器必须占用较少的系统资源。

        ④低成本要求。为了降低成本，在硬件设计上，存储器的大小是成本控制的一个方面。因此，要求提供的调度器必须具备小内核以减小存储空间。

        此外，还要求调度器必须有精确定时的功能，也就是事件驱动和时钟驱动相结合，以满足智能仪表中周期性任务执行和突发性任务执行的需要。

        3 嵌入式微调度器的设计与实现

        根据智能仪表对调度算法实时性、多任务、低消耗的要求，本文提出了一种新的静态优先级，单任务队列、具有4种任务状态的非抢占式调度的轻量级任务调度算法，并根据这种算法实现了应用于智能仪表的调度器。该算法的特点是以任务在任务控制块数组中的相对位置表示优先级高低，任务的状态和延时量使用统一的任务状态字，在少量任务的轻量级应用中具有很好的时间和空间性能。

        3.1 任务的状态

        在本调度器中任务有4种状态：就绪状态、运行状态、等待状态和挂起状态。内存中的任务必须处于这4种状态之一。

        就绪状态：指任务运行的时间条件和资源条件都满足，等待调度算法选择最合适的任务进入就绪状态。任务一旦建立就处于就绪状态，这一点和μC／OS-II相同。

        运行状态：是当前时刻任务占有CPU资源正在运行的状态。本调度算法选择进入就绪任务队列中优先级最高的任务运行。任何时刻只能有一个任务处于运行状态。

        等待状态：如果任务需要等待一段时间才能运行，那么这个任务当前处于等待状态。使任务延迟一段时间可通过调用Os_TasK_Delay()函数实现。调度器在每个系统时钟节拍检查任务延迟时间，一旦任务定义的延迟时间到，就使任务进入就绪状态。

        挂起状态：正在运行的任务需要等待某一事件的发生，如果该事件没有发生那么任务就处于挂起状态。事件的发生可能来自另外一个任务，也可能来自中断服务程序。

        除此之外，系统还可能处在中断服务状态。这是一种特殊的运行状态，当系统响应中断时，正在执行的任务被挂起，中断服务程序控制了CPU的使用权，系统就进入中断服务状态。

       其中，空闲任务优先级最低，而且永远处于就绪状态，而且当所有的任务都在等待事件发生或者延迟时间结束时，操作系统就会执行空闲任务。

        3.2 调度器核心数据结构

        3.2.1 任务控制块和任务控制块列表

        任务控制块由任务堆栈、任务入口地址、任务状态字和任务优先级4个部分组成。任务堆栈用于保护被中断的现场数据；任务入口地址是指向任务程序的指针，用于指定任务所进行的操作；任务状态字用来表示任务当前的状态和延迟的时间间隔；任务优先级表示就绪列表中的哪个任务可以优先进入运行状态。

        在整个调度过程中使用一个全局的任务控制块数组来表示任务控制块列表。每个任务使用唯一一个任务控制块表示，任务的优先级通过任务控制块在任务控制块数组中的相对位置来表示。每个任务有且仅有一个优先级，所以任务的优先级也可以用任务的ID号来表示。任务控制块结构如下：

        3.2.2 任务调度算法及实现

        这种算法已在16位单片机Motorola MC9S12DP256B和8位单片机AT89C52上实现。一些与硬件相关的算法，主要给出在MC9S12DP256B上的算法实现。

        ①建立任务Os_Task_Create()算法。任务创建函数代码如下：

        该程序表示了系统建立任务的过程。如上节所述每个任务对应一个优先级，所以任务ID也可表示任务的优先级。建立任务的过程就是，把任务控制块数组的任务人口地址对应ID(即任务优先级)的任务控制块的任务入口地址指向任务函数的地址，并初始化该任务的任务堆栈。

        ②任务调度算法的功能是找到当前就绪列表中优先级最高的任务，并把这个任务切换到运行状态。在任务控制块列表中使用任务在列表中的相对位置表示优先级的高低，并不需要实际地对任务优先级进行比较。算法流程如图1所示。

        从任务控制块队列的头部(即任务优先级为0的任务)开始依次检查任务就绪标志(os_tcb．state)，如果当前任务标志≠1，表示当前任务为非就绪状态，继续检查下一优先级的任务。如果当前任务标志为1，则找到最高优先级任务退出循环，调用任务调度函数进行任务状态切换。[page]

        任务的调度算法如下：

        任务级切换函数需要改变程序计数器(PC)，所以必须通过软中断实现。在软中断服务函数中改变当前运行任务的TCB指针到最高优先级就绪任务，执行中断返回指令在新的任务堆栈中弹出最高优先级任务的PSW和PC指针，从而完成任务切换。

        ③任务状态转换主要是激活任务os_Task_Active()、挂起任务os_Task_Suspend()和延迟任务os_Task_Delay()。挂起任务使任务进入挂起状态，延迟任务使任务进入等待状态，而激活任务函数可以使任务从挂起状态或者等待状态直接进入就绪状态。任务的状态由任务控制块中的任务状态字(os_tcb．state)给出。当os_tcb．state=1时表示任务进入就绪状态；当os_tcb．state=0时表示任务处于挂起状态；当os_tcb．state>1时表示任务等待os_tcb．state-1个系统时钟间隔之后进入就绪状态。任务状态切换示意图如图2所示。

        ④由于这些中低端的仪器仪表每个任务的执行时间都比较短，为了避免优先级反转和死锁，采用非抢占式调度方式，进入就绪态的任务必须在当前任务执行完成后才能被调度。调度时处于就绪表中优先级最高的任务进入运行。

        3.2.3 调度算法的时钟驱动

        时间驱动需要硬件提供时钟节拍来实现任务的定时。时钟节拍信号源可以是专门的硬件定时器，比如AT89C52中的Timer2。也可以使用其他更精确的方式提供系统时钟节拍。在这里使用MC9S12DP256B捕获器的第7个通道来实现，时钟中断处理函数如下：

        #pragma CODE_SEG DEFAULT在MC9S12DP256B的捕获器中有一个自动增长主时钟，每一个硬件周期驱动TCNT十1，并与TC7相比较。设置TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS(在系统配置文件中定义)，当度过OS_TICK_OC_CNTS个硬件周期时，TCNT=TC7则产生中断。在中断中调用系统时钟节拍函数提供精确的系统时钟节拍，并再次初始化TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS，产生下一个时钟节拍。

        系统时钟节拍函数自动检查每个被延迟的任务，当任务的延迟周期结束后，自动将任务切换到就绪状态。具体算法如下：

        ①从任务控制块列表头部开始顺序检查各任务状态字，将所有延迟任务的任务状态字减1。

        ②当前延迟任务的状态字变为1时，该任务延时结束，置就绪任务列表改变标志位。

        ③恢复被中断任务状态，返回中断。

        系统时钟驱动代码如下：

        结 语

        本文提出的任务调度算法是一个应用于智能仪表系统的中间件，目的是良好地管理CPU资源，提供方便的用户应用接口，具有良好的可移植性、时间性能和空间性能。在具有大量周期性任务的轻量级智能仪表的应用中，性能和易用性的提高是非常明显的。该算法已经成功应用于车载智能仪表的图形操作系统中。