通過任務(wù)分割提高嵌入式系統(tǒng)的實時性

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(jī)技術(shù)的進(jìn)步客觀上也為進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用的過程中，還要結(jié)合具體情況進(jìn)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(wù)與嵌入式多任務(wù)實時系統(tǒng)

1.1 任務(wù)與多任務(wù)

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

典型地，每個任務(wù)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(yùn)行態(tài)、等待態(tài)和被中斷態(tài)，如圖1所示。


多任務(wù)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(wù)運(yùn)行使CPU的利用率得到最大的發(fā)揮，并使應(yīng)用程序模塊化。

1.2 嵌入式多任務(wù)實時系統(tǒng)

RTOS本質(zhì)上就是嵌入的實時內(nèi)核，它負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說是為每上任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)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(wù)問題

2.1 長任務(wù)的定義

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

2.2 長任務(wù)對RTOS的影響

當(dāng)使用可剝奪型實時內(nèi)核時，長任務(wù)由于執(zhí)行的時間較長，因而更容易被高優(yōu)先級的任務(wù)打斷；一旦高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)的CPU使用權(quán)就被剝奪了，或者說任務(wù)被掛起了，那個高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。這樣會出現(xiàn)兩個問題：一是長任務(wù)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(wù)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(wù)執(zhí)行完返回后，長任務(wù)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(dāng)使用不可剝奪型實時內(nèi)核時，長任務(wù)對RTOS的影響更為明顯，因為在這種內(nèi)核中，任務(wù)級響應(yīng)時間取決于最長的任務(wù)執(zhí)行時間。這也就是說由于長任務(wù)的存在，任務(wù)級的響應(yīng)時間要變長。其結(jié)果是CPU長時間停留在長任務(wù)中，其它的任務(wù)得不到實時的響應(yīng)，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(wù)都會對RTOS構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

3 長任務(wù)問題的解決

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