通過(guò)任務(wù)分割提高嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性

引言

? 隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求越來(lái)越高。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步客觀上也為進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)性提供了可能。因此近年來(lái)，嵌入式實(shí)時(shí)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(diǎn)，實(shí)編排軟件也越來(lái)越多，有商業(yè)軟件，也有免費(fèi)的代碼。然而影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)內(nèi)核外，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用的過(guò)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(shí)時(shí)潛能。

1 任務(wù)與嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)

1.1 任務(wù)與多任務(wù)

? 在嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，任務(wù)是指一個(gè)程序分段。這個(gè)分段被操作系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)基本單元來(lái)調(diào)度。

? 典型地，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)，而且在同一時(shí)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(guò)程實(shí)際上就是一系列任在這5種狀態(tài)中循環(huán)流動(dòng)、輪流被內(nèi)核調(diào)度的過(guò)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(shí)時(shí)系統(tǒng)

?? ?RTOS本質(zhì)上就是嵌入的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，或者說(shuō)是為每上任務(wù)分配CPU時(shí)間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)系統(tǒng)也可分為兩類：使用不可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)和使用可剝奪型內(nèi)核的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的長(zhǎng)任務(wù)問(wèn)題

2.1 長(zhǎng)任務(wù)的定義

? 在RTOS中，長(zhǎng)任務(wù)就是指整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，超出了RTOS中其它某一個(gè)或某幾個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)要求容限，而對(duì)整個(gè)RTOS的實(shí)時(shí)性構(gòu)成威脅的那些任務(wù)。

2.2 長(zhǎng)任務(wù)對(duì)RTOS的影響

? 當(dāng)使用可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核時(shí)，長(zhǎng)任務(wù)由于執(zhí)行的時(shí)間較長(zhǎng)，因而更容易被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)打斷；一旦高優(yōu)先級(jí)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(shuō)任務(wù)被掛起了，那個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立刻得到了CPU的控制權(quán)。這樣會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)任務(wù)可能在一次執(zhí)行的過(guò)程中被頻敏打斷，長(zhǎng)時(shí)間得不到一次完整的執(zhí)行；二是長(zhǎng)任務(wù)被打斷時(shí)，可能要保存大量的現(xiàn)場(chǎng)信息，其目的是為了保證在高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行完返回后，長(zhǎng)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(shí)保存現(xiàn)場(chǎng)本身也是要占用CPU時(shí)間的，因此，實(shí)時(shí)性也會(huì)下降。

??? 當(dāng)使用不可剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核時(shí)，長(zhǎng)任務(wù)對(duì)RTOS的影響更為明顯，因?yàn)樵谶@種內(nèi)核中，任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間取決于最長(zhǎng)的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。這也就是說(shuō)由于長(zhǎng)任務(wù)的存在，任務(wù)級(jí)的響應(yīng)時(shí)間要變長(zhǎng)。其結(jié)果是CPU長(zhǎng)時(shí)間停留在長(zhǎng)任務(wù)中，其它的任務(wù)得不到實(shí)時(shí)的響應(yīng)，甚至于根本得不到執(zhí)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性勢(shì)必要下降。

總之，無(wú)論是使用可剝奪型內(nèi)核，還是使用不可剝奪型內(nèi)核，長(zhǎng)任務(wù)都會(huì)對(duì)RTOS構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

3 長(zhǎng)任務(wù)問(wèn)題的解決

? 解決長(zhǎng)任務(wù)問(wèn)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(shí)時(shí)性的長(zhǎng)任務(wù)分割成若干個(gè)小任務(wù)。這樣單個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間變短，系統(tǒng)的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間變短，實(shí)時(shí)性提高。

3.1 對(duì)RTOS的分析與計(jì)算

? 當(dāng)然，長(zhǎng)任務(wù)的分割必須結(jié)合系統(tǒng)中所使用的內(nèi)核，以及各任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求情況，進(jìn)行必要的分析計(jì)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(gè)任務(wù)，這些任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求有多高，求出各個(gè)任務(wù)所要求的最小執(zhí)行頻率f1，f2，f3……fn。

②計(jì)算目前各任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間t1，t2，t3……tn。

③確定系統(tǒng)中的長(zhǎng)任務(wù)

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(zhǎng)任務(wù)。

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

則存在長(zhǎng)任務(wù)，而且執(zhí)行時(shí)間為max（t1,t2,t3……tn）的那個(gè)任務(wù)就是要找的長(zhǎng)任務(wù)。

④分析此長(zhǎng)任務(wù)是否需要分割

分析一下是什么原因?qū)е聢?zhí)行的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)間還能夠通過(guò)程序的優(yōu)化來(lái)縮短？如果能，則不需要進(jìn)行任務(wù)分割；否則要對(duì)這個(gè)長(zhǎng)任務(wù)進(jìn)行分割。

??? 3.2 任務(wù)分割

常用的任務(wù)分割的方法有以下兩種：

①將長(zhǎng)任務(wù)按功能分為若干個(gè)小模塊，每一個(gè)模塊構(gòu)成一個(gè)小任務(wù)，每個(gè)小任務(wù)執(zhí)行一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能，且要保證執(zhí)行時(shí)間t
②有的長(zhǎng)任務(wù)比較特殊，例如鍵盤任務(wù)和動(dòng)態(tài) LED顯示任務(wù)，很難按照方法1所說(shuō)的把它分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的小模塊。這時(shí)，一般是按照方便保存現(xiàn)場(chǎng)信息原則，強(qiáng)制將其分割成若干個(gè)小任務(wù)，每個(gè)任務(wù)在min(1/f1,1/f2,1/f3……1/fn)時(shí)間內(nèi)主動(dòng)保存現(xiàn)場(chǎng)信息、放棄CPU的控制權(quán)，等到再次被內(nèi)核調(diào)度時(shí)繼續(xù)執(zhí)行。

? 這種分割方法相對(duì)復(fù)雜，各任務(wù)之間界限不是很明顯，看似未經(jīng)分割，但實(shí)際上它確實(shí)是由多次任務(wù)中斷來(lái)完成。下面就以這種分割方法為例具體說(shuō)明。

4 實(shí)例分析

4.1 系統(tǒng)介紹

??? 在此，系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)是基于 MC68HC908GP32單片機(jī)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(chǔ)是在MC68HC908GP32中運(yùn)行 Motorola公司的Joanne Santangeli編寫的基于時(shí)間片的不可剝奪的實(shí)時(shí)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(shí)間模塊產(chǎn)生恒定的實(shí)時(shí)中斷，將CPU的運(yùn)行時(shí)間分成一個(gè)個(gè)時(shí)間片。內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度工作都是在時(shí)間片的開始階段完成的，而每個(gè)任務(wù)都必須在單個(gè)時(shí)間片內(nèi)完成。

??? 在這個(gè)內(nèi)核中，每0.5ms發(fā)生1次時(shí)鐘中斷，而每10次時(shí)鐘中斷組成了1個(gè)時(shí)間片（5ms）。任務(wù)1的優(yōu) 先級(jí)最高，每2個(gè)時(shí)間片（10ms）會(huì)執(zhí)行1次，任務(wù)2每4個(gè)時(shí)間片（20ms）執(zhí)行1次，優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)6則每64個(gè)時(shí)間片（320ms）會(huì)執(zhí)行1次。

4.2 系統(tǒng)中的鍵盤任務(wù)問(wèn)題

?? 在單片機(jī)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(yīng)。鍵盤任務(wù)子程序也是根據(jù)這個(gè)要求而設(shè)計(jì)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(shí)開始，到按鍵釋放并轉(zhuǎn)相應(yīng)子程序而終止。該任務(wù)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(shí)間，一般為100～300ms。為了能說(shuō)明問(wèn)題，這里取100ms。

令 t1'-t1=Δt1,t2'-t2=Δt2

則一次鍵盤任務(wù)的執(zhí)行時(shí)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(shí)際上，由于兩次任務(wù)執(zhí)行的情況不完全相同，Δt1與Δt2可能會(huì)有相當(dāng)于幾個(gè)指令周期的時(shí)間差異，但也只是μs級(jí)的誤差。而且，這里是以時(shí)間片的形式來(lái)計(jì)算的，所以依然可以認(rèn)為

Δt2-Δt1=0

因而有

Δt'=Δt+(Δt2-Δt1)=Δt=100ms(20個(gè)時(shí)間片)

?也就是說(shuō)，在這20個(gè)時(shí)鐘片內(nèi)只執(zhí)行1次鍵盤任務(wù)，大部分的時(shí)間都在空等待。在此期間，系統(tǒng)中會(huì)有20-1=19次其它任務(wù)的執(zhí)行被錯(cuò)過(guò)，圖3中虛線所示就是在此100ms期間被錯(cuò)過(guò)執(zhí)行的19個(gè)任務(wù)。顯然，這在大多數(shù)多任務(wù)系統(tǒng)中都是不允許的。

因此，在這個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，鍵盤任務(wù)是個(gè)典型的長(zhǎng)任務(wù)，要使其它19次任務(wù)中斷都有被應(yīng)用的機(jī)會(huì)，必須對(duì)該鍵盤任務(wù)進(jìn)行分割。

4.3 鍵盤任務(wù)的分割

?? 鍵盤分割的方法是將一次鍵盤任務(wù)分成多個(gè)小任務(wù)，通過(guò)多次任務(wù)中斷來(lái)完成。我們將其放在任務(wù)4中（80ms執(zhí)行1次）。這樣有ttask4≤ttask≤2ttask4，即可以保證鍵盤任務(wù)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(wù)的執(zhí)行過(guò)程。

?

??? 從圖4可以看出，1次完整的鍵盤任務(wù)是由2～3次任務(wù)中斷來(lái)完成的。情況a中，每一次任務(wù)中斷發(fā)生在ta1時(shí)刻，在接下來(lái)的一個(gè)時(shí)間片（5ms）內(nèi)，檢測(cè)到有鍵按下，調(diào)用查詢值任務(wù)；第一次任務(wù)中斷發(fā)生在ta2時(shí)刻，在接下來(lái)的一個(gè)時(shí)間片（5ms）內(nèi)，檢測(cè)到按鍵已釋放，跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行相應(yīng)鍵處理程序。

?? 情況b中，第二次任務(wù)中斷時(shí)（tb2時(shí)刻），鍵還沒(méi)有松開，因此實(shí)際上什么也不做；第三次中斷（tb3時(shí)刻）才跳到與鍵值對(duì)應(yīng)的子程序。

?? 通過(guò)這樣的分割，每個(gè)子任務(wù)都可以在5ms 內(nèi)完成。如果系統(tǒng)中還有大于5ms的長(zhǎng)任務(wù)的話，可按此法繼續(xù)進(jìn)行分割；如果沒(méi)有的話，系統(tǒng)任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間一定小于5ms。這樣，此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性大大提高，由100ms提高到5ms。本刊網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）中，介紹了此任務(wù)改進(jìn)后的部分源程序。

結(jié)語(yǔ)

?? 通過(guò)任務(wù)分割，可以顯著地提高多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本文改進(jìn)后的源程序已經(jīng)在基于MC68HC908GP32的溫室控制器中成功地運(yùn)行過(guò)。除此以外，還成功地對(duì)LED和SCI任務(wù)進(jìn)行了分割。改進(jìn)后，除了實(shí)時(shí)性大大提高外，CPU的執(zhí)行效率也有顯著提高。