一種時間觸發(fā)的多任務(wù)調(diào)度器設(shè)計

目前，嵌入式系統(tǒng)的硬件核心大致有兩大類：一類是功能強大的嵌入式微處理器，使用這類產(chǎn)品的系統(tǒng)一般功能強大，多數(shù)使用嵌入式操作系統(tǒng)，往往與無線通信、互聯(lián)網(wǎng)訪問以及多媒體處理等復(fù)雜而強大的功能聯(lián)系在一起；另一類是微控制器，它通常以某一種微控制器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM、RAM、定時器、串行口等各種必要功能和外設(shè)。出于成本和技術(shù)上的考慮，這類系統(tǒng)的軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，沒有配備多任務(wù)操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，也不需要將系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件完全分開處理。但在實際的應(yīng)用中，很多時候也會面臨同時應(yīng)付多種外設(shè)、處理多個任務(wù)的要求，這就需要安排一個調(diào)度器來完成多任務(wù)的處理。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于時間觸發(fā)的多任務(wù)調(diào)度器。該調(diào)度器使用傳遞消息(message)的方式使得控制器在多個任務(wù)之間進行切換。因為消息和任務(wù)一一對應(yīng)，一個消息觸發(fā)一個任務(wù)，所以本文對兩者不做詳細區(qū)分。

1 嵌入式軟件的兩種觸發(fā)方式

嵌入式系統(tǒng)中，通常采用兩種本質(zhì)上不同的調(diào)度方式：事件觸發(fā)和時間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級中斷實現(xiàn)，其發(fā)生時間具有隨機性；而時間觸發(fā)方式則不同，它是通過一個全局時鐘進行驅(qū)動的，系統(tǒng)的行為不僅在功能上確定，而且在時間上也是確定的。

1.1 事件觸發(fā)方式存在的問題

如果多個中斷源在隨機的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生中斷，則需要處理同時發(fā)生的多個事件。這樣不但增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，而且降低了對事件觸發(fā)系統(tǒng)在所有情況下行為的預(yù)計能力。實際上，在同時有幾個有效中斷源的情況下，幾乎不可能創(chuàng)建代碼來正確處理所有可能的中斷組合。中斷事件不會丟失是存在于絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員頭腦中的一種錯誤觀念，這往往給所開發(fā)的產(chǎn)品帶來災(zāi)難性的后果。事件觸發(fā)系統(tǒng)的開銷是人們經(jīng)常忽略的另一個問題。Alexander Metzner專門討論了這種問題并得出結(jié)論：一個包含27個任務(wù)、采用RM調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實際利用率僅為18％。

1.2 時間觸發(fā)方式的優(yōu)點

Kopetz首先提出：使用基于時間觸發(fā)的合作式調(diào)度器會使得系統(tǒng)有非常好的可預(yù)測性。因此，在某些與安全相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)中選用時間觸發(fā)方式，設(shè)計人員能預(yù)先安排可控的順序，保證一次只處理一個事件，提高系統(tǒng)的可靠性并減輕CPU的負荷。

2 時間觸發(fā)調(diào)度器的設(shè)計

調(diào)度器的設(shè)計主要包括3個方面：消息隊列、定時器和周期性任務(wù)調(diào)度。在調(diào)度器的實現(xiàn)中，將定時器的設(shè)置分離出來，并且定義不依賴于編譯器的數(shù)據(jù)類型，通過修改這一部分可以輕松地將該調(diào)度器移植到多種硬件平臺上使用。

2.1 消息隊列的設(shè)計

圖1中，消息隊列MsgQue[]和定時隊列TmrQue[]是調(diào)度器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了減少時鐘中斷中對它們的處理時間，還設(shè)置了2個隊列――就緒索引隊列RdIdx[]和定時索引隊列TmrIdx[]。這4個隊列都由靜態(tài)數(shù)組實現(xiàn)。

消息隊列存放應(yīng)用程序發(fā)送的單次消息和延時處理的消息。消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：

定時隊列TmrQue[]和定時索引隊列TmrIdx[]一一對應(yīng)。其中，定時隊列中存放定時消息的延時時間；而相對應(yīng)的TmrIdx[]項則指向定時消息在消息隊列中的位置。

要發(fā)送消息時，使用函數(shù)vdStrtTmrTsk(INT16UTmValue，struct Msg*pOutMsg)，將pOutMsg指向的消息結(jié)構(gòu)放入隊列MsgQue[]中。具體的做法是：從數(shù)組的第一項開始查找，找到空閑項放入新消息并將該項的狀態(tài)設(shè)置成BUFF-USED；然后將此消息項對應(yīng)的索引值放入RdIdx[]的第一個空閑項中等待調(diào)度。如果發(fā)送的是延時消息，則要使用vdStrtTmrTsk(INT16U TmValue，structMsg*pOutMsg)將延時時間放入TmrQue[]中，并使用對應(yīng)的TmrIdx[]項指向?qū)?yīng)的消息。

圖1中MSG5對應(yīng)的任務(wù)正在執(zhí)行，MSG9是剛到期的定時消息，當(dāng)前任務(wù)結(jié)束后就可以處理該消息。MSG7是未到期的定時消息，其他2個都是已就緒待處理的消息。

2.2 定時器的設(shè)計

調(diào)度器必須先設(shè)定一個默認的時間片，這并不是件簡單的事。時間片過長會導(dǎo)致系統(tǒng)對交互行為的響應(yīng)表現(xiàn)欠佳；時間片太短又會明顯地增大調(diào)度器處理耗時，而留給任務(wù)運行的時間卻很短。根據(jù)V850處理器在車載音響上的實際需要，選擇4 ms作為時間片。

在V850處理器中使用TM0定時器來實現(xiàn)4 ms定時功能，可以計算出CR70的初值為156，程序?qū)崿F(xiàn)如下：

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

2.3 周期性任務(wù)的處理方法

對于該系統(tǒng)，周期長度必須是4 ms的整數(shù)倍。在每次時鐘中斷以后執(zhí)行下面的函數(shù)，通過將要周期性執(zhí)行的任務(wù)放入函數(shù)數(shù)組TskPatt[]()中就可以執(zhí)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(diào)度

調(diào)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。這里對延時消息做特殊處理，如圖1所示，消息MSG9的延時時間剛到，它的索引被插入到當(dāng)前消息索引的后面(也就是位置RdIdx[1])，它就可以在下一次調(diào)度中得到處理。

任務(wù)調(diào)度由wucExecTsk(void)函數(shù)來完成。它取出MsgQue[RdIdx[0]]對應(yīng)的消息，以該消息的目的模塊ID為索引，使用存放各個模塊人口函數(shù)的函數(shù)數(shù)組TskTb1[]()，就可以將該消息分發(fā)到相應(yīng)的處理模塊。

因為該調(diào)度器是合作式的，所以每個任務(wù)處理函數(shù)都必須顯示地調(diào)用退出任務(wù)的函數(shù)，否則該任務(wù)會永遠的執(zhí)行下去。因此，每個模塊的人口函數(shù)都調(diào)用退出任務(wù)的API：

在vdExtTsk()中，將當(dāng)前任務(wù)在消息數(shù)組MsgQue[]中對應(yīng)的數(shù)據(jù)項置成BUFF_EMPTY。同時，將就緒索引隊列里的數(shù)據(jù)都向前移動，覆蓋當(dāng)前消息的索引，原來的RdIdx[1]就變成當(dāng)前任務(wù)的消息索引，參與下一輪調(diào)度。

4 應(yīng)用實例

車載音響系統(tǒng)是一個復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，它的微控制器要處理大量的外圍設(shè)備，如圖2所示。為了便于開發(fā)，將程序按照硬件的功能劃分模塊，各個模塊之間通過傳遞消息的方式來完成多任務(wù)的處理。使用上面介紹的調(diào)度結(jié)構(gòu)既方便了程序的設(shè)計和維護，又解決了多個任務(wù)之間的調(diào)度問題。

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

系統(tǒng)的周期性任務(wù)如表2所列。系統(tǒng)中按鍵使用的是矩陣鍵盤，4 ms時間太短不足以檢測出鍵值，這里是通過每次掃描一行的方式來實現(xiàn)的。

系統(tǒng)在NEC公司V850系列微控制器的開發(fā)平臺上用C語言實現(xiàn)，調(diào)度器在車載音響系統(tǒng)中很好地發(fā)揮了作用，系統(tǒng)的交互行為良好，輸入、輸出都感覺不到延遲。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在某型號的汽車上。

結(jié) 語

在工程中采用事件觸發(fā)模式很大程度上會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性；而商業(yè)實時操作系統(tǒng)往往價格昂貴，并且需要很大的操作系統(tǒng)開銷。本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于時間觸發(fā)的調(diào)度器，它通過傳遞消息的方式完成多任務(wù)的切換，可以滿足實時、簡單、可預(yù)測性等工程要求。這種設(shè)計還使得系統(tǒng)易于開發(fā)和維護，應(yīng)用于車載音響系統(tǒng)中取得了很好的效果。