一種用于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度方法

高博 牛偉 馬振華

【摘要】? ? 任務(wù)調(diào)度是強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)必備的功能，本文利用嵌入式處理器自身的中斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于強(qiáng)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的可搶占式任務(wù)調(diào)度方法。該方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、占用空間小、運(yùn)行效率高、復(fù)雜性低等特點(diǎn)，非常適用于資源緊張且對(duì)時(shí)間非常敏感的嵌入式系統(tǒng)。經(jīng)過驗(yàn)證，本方法任務(wù)的周期準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且在多型產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 任務(wù)調(diào)度? ? 嵌入式系統(tǒng)? ? 數(shù)字信號(hào)處理器

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式設(shè)備的發(fā)展越來越快，用于工業(yè)控制的嵌入式計(jì)算機(jī)往往都是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求系統(tǒng)中運(yùn)行的各個(gè)任務(wù)都具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。一般為了解決嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)實(shí)時(shí)性的要求，可以向系統(tǒng)中移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但其對(duì)系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源都有一定的要求，再加上任務(wù)調(diào)度算法的存在，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能帶來一定損耗。同時(shí)由于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能不僅限于任務(wù)調(diào)度，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)引入很多無用功能，提高軟件的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的安全性。除此之外，嵌入式電子設(shè)備為了降低成本，提高用戶體驗(yàn)，越來越注重體積、重量、能耗、價(jià)格等因素，特別對(duì)于輕量級(jí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它們對(duì)資源的要求更加苛刻。本文針對(duì)上述情況，介紹了一種基于CPU內(nèi)部中斷的搶占式實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度方法，并使用TI公司的TMS320F2812系列數(shù)字處理芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該方法還具有簡(jiǎn)單的優(yōu)先級(jí)管理功能。本文的任務(wù)調(diào)度軟件可以大大降低對(duì)存儲(chǔ)空間的需求，降低系統(tǒng)成本，提高運(yùn)行效率，可以用于需要簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度功能的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的C2000系列中的一種高性能DSP，其主頻最高可達(dá)150MHz，且外設(shè)資源豐富，性能穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

一、實(shí)現(xiàn)原理

1.1任務(wù)調(diào)度原理

嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中往往具有多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期均有嚴(yán)格的要求，任務(wù)間也具有優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，優(yōu)先級(jí)高的可以搶占優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)。上述概念就是嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度，它的核心操作就是任務(wù)上下文切換。一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)周期任務(wù)的運(yùn)行過程示意圖參見圖 1。

圖 1示例中有3個(gè)周期任務(wù)，其中高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行周期為t1，中優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行周期為t2，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行周期為t3。時(shí)間段A中，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行完畢，中優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行，同時(shí)中優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行過程被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)多次搶占。在時(shí)間段B中，高、中優(yōu)先級(jí)任務(wù)均執(zhí)行完畢，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行，執(zhí)行一段時(shí)間后，又被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占。在時(shí)間段C中，各個(gè)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)均執(zhí)行完畢，處理器處于空閑狀態(tài)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行過程被高優(yōu)先級(jí)和中優(yōu)先級(jí)任務(wù)多次搶占。

任務(wù)上下文切換的過程與中斷類似，當(dāng)需要任務(wù)切換時(shí)，需要完整地保存正在執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)，即CPU寄存器，并恢復(fù)即將執(zhí)行任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)。除了最基本的任務(wù)切換功能外，還需要一些額外的算法和機(jī)制來支持任務(wù)調(diào)度以及任務(wù)優(yōu)先級(jí)控制。本文提出一種方法，充分利用DSP2812本身的中斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單的任務(wù)優(yōu)先級(jí)控制和任務(wù)切換方法，僅支持搶占式任務(wù)調(diào)度，可以用于輕量級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

1.2 DSP2812的中斷機(jī)制

使用中斷實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，就需要把每個(gè)任務(wù)放在一個(gè)獨(dú)立的CPU中斷中，利用中斷觸發(fā)CPU自動(dòng)的上下文切換。同時(shí)為了支持任務(wù)優(yōu)先級(jí)的控制，就要求這些被當(dāng)作任務(wù)的中斷必須為可屏蔽中斷，這就要求CPU的可屏蔽中斷支持以下特性：

1）可以通過軟件觸發(fā);

2）不同的中斷具有不同的優(yōu)先級(jí);

3）中斷支持嵌套，且可以被多次嵌套;

4）滿足以上條件的中斷數(shù)量應(yīng)大于任務(wù)個(gè)數(shù)。

DSP2812具有外設(shè)中斷擴(kuò)展（Peripheral Interrupt Expansion）模塊，當(dāng)使能PIE模塊后，DSP2812的可屏蔽中斷共有114個(gè)，其中有96個(gè)都是PIE模塊擴(kuò)展出來的中斷，這些中斷被分為12組，每一組包含8個(gè)中斷源。

DSP2812的可屏蔽中斷首先受到全局中斷標(biāo)志INTM的控制。由于PIE模塊的12個(gè)組分別連接到CPU的INT1到INT12，每一組的中斷使能受到中斷使能寄存器IER對(duì)應(yīng)位的控制。最后每一組內(nèi)8個(gè)中斷又受到對(duì)應(yīng)組的PIE模塊中斷使能寄存器PIEIERx的控制。DSP2812的PIE模塊中每一個(gè)中斷均支持軟件觸發(fā)，以通過軟件觸發(fā)某個(gè)PIEx.y的中斷為例，首先需要使能INTM，然后在IER中使能INTx，在PIEIERx中使能INTy，最后通過向PIEIFRx的INTy寫1，觸發(fā)PIEx.y中斷。

利用中斷實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，每次任務(wù)切換就是一次中斷嵌套，對(duì)于DSP2812來說，它的C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境在進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，會(huì)自動(dòng)禁止全局中斷，如果要允許中斷嵌套，則需要手動(dòng)使能全局中斷。這種機(jī)制恰好方便了使用中斷實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，在進(jìn)入中斷到手動(dòng)使能全局中斷的這段時(shí)間內(nèi)，CPU不會(huì)被其他任何可屏蔽中斷打斷，也就是這段代碼處于臨界區(qū)。這段區(qū)域就可以使能比正在執(zhí)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)高任務(wù)的中斷，禁止比正在執(zhí)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)低任務(wù)的中斷，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)控制。而中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和恢復(fù)，也就是任務(wù)上下文切換由CPU的中斷機(jī)制自動(dòng)完成，同時(shí)如果DSP2812的C語(yǔ)言運(yùn)行環(huán)境檢測(cè)到中斷服務(wù)程序中調(diào)用了函數(shù)，則會(huì)在進(jìn)入中斷時(shí)自動(dòng)保存所有寄存器，這種機(jī)制極大地簡(jiǎn)化了任務(wù)上下文切換的過程。

二、軟件實(shí)現(xiàn)

下面以一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)為例，說明本文方法的實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)有1個(gè)外部中斷，接到XINT1上，該中斷在PIE模塊中的中斷源為PIE1.4。該系統(tǒng)共有2個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)周期任務(wù)，執(zhí)行周期分別為20ms和100ms，分別命名為TaskA和TaskB。

2.1中斷配置

具有實(shí)時(shí)任務(wù)的系統(tǒng)中必須有一個(gè)時(shí)基，一般來源于CPU定時(shí)器，本例中使用DSP2812的定時(shí)器0作為時(shí)基，時(shí)基中斷的觸發(fā)頻率為1kHz，即每隔1ms觸發(fā)一次。定時(shí)器0的中斷源為PIE1.7。

此時(shí)PIE組1的中斷已經(jīng)使用了2個(gè)，為了方便使用，本例將2個(gè)任務(wù)均放在未使用的PIE組2中，使用PIE2.1和PIE2.2。

根據(jù)上述中斷的要求，具體中斷配置如下：

1）使能IER1和IER2，使能PIEIER1.4、PIEIER1.7以及PIEIER2.1和PIEIER2.2。

2）軟件中控制中斷優(yōu)先級(jí)從高到低的順序?yàn)镻IE1.4、PIE1.7、PIE2.1和PIE2.2。

2.2定時(shí)器中斷服務(wù)程序

定時(shí)器中斷服務(wù)程序就是時(shí)基的處理程序，該程序需要實(shí)現(xiàn)每個(gè)任務(wù)的調(diào)度。同時(shí)時(shí)基中斷不能被任務(wù)打斷，DSP2812處理器自身具有執(zhí)行中斷時(shí)默認(rèn)關(guān)閉可屏蔽中斷的功能。定時(shí)器中斷服務(wù)程序要完成的操作如下：

1）根據(jù)每個(gè)任務(wù)的運(yùn)行周期，利用定時(shí)器中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器，周期性設(shè)置每個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)的PIEIFR寄存器。對(duì)于本例，每隔20次中斷將PIEIFR2.1置位;每隔100次中斷將PIEIFR2.2置位。

2）為了防止任務(wù)函數(shù)執(zhí)行超時(shí)造成重入，每次置位IFR時(shí)，需要預(yù)先判斷對(duì)應(yīng)的任務(wù)是否執(zhí)行完畢，可以在任務(wù)的中斷服務(wù)程序中，通過標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)。如果對(duì)應(yīng)任務(wù)未執(zhí)行完，需要設(shè)置超時(shí)標(biāo)志，不能設(shè)置置相應(yīng)的PIEIFR寄存器。

3）累加定時(shí)器中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器，同時(shí)置位定時(shí)器的PIEACK寄存器，以清除定時(shí)器中斷。

2.3任務(wù)中斷服務(wù)程序

為了實(shí)現(xiàn)可搶占任務(wù)調(diào)度，每個(gè)任務(wù)中都可以被比自身優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)以及定時(shí)中斷打斷，因此任務(wù)需要允許中斷嵌套。同時(shí)開啟中斷嵌套后，需要手動(dòng)控制可以打斷當(dāng)前任務(wù)中斷的使能。同時(shí)除了任務(wù)以外的其他中斷應(yīng)當(dāng)保持使能。每個(gè)任務(wù)中斷服務(wù)程序需要完成的操作如下：

1）設(shè)置任務(wù)開始執(zhí)行標(biāo)志，以便定時(shí)器中斷服務(wù)程序判斷任務(wù)是否超時(shí)。

2）將IER和PIEIER寄存器設(shè)置為使能比自己優(yōu)先級(jí)高任務(wù)的中斷，以及所有非任務(wù)中斷。例如當(dāng)運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)TaskA時(shí)，不允許其他任務(wù)搶占，但允許被中斷搶占。此時(shí)IER需要使能第1位、禁止第2位，而PIEIER1保持不變，PIEIER2需要將第1位和第2位均禁止斷;當(dāng)運(yùn)行TaskB時(shí)，要允許TaskA搶占，還要允許中斷搶占，此時(shí)IER使能第1位和第2位，PIEIER1保持不變，同時(shí)PIEIER2禁止第2位使能第1位。

3）使能全局中斷，并執(zhí)行任務(wù)，過程中允許所有中斷和比當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，打斷當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行。

4）禁止全局中斷，將IER和PIEIER寄存器恢復(fù)為任務(wù)中斷前的狀態(tài)。

5）清除任務(wù)開始執(zhí)行標(biāo)志并執(zhí)行中斷返回。

三、方法驗(yàn)證

采用第3節(jié)的示例對(duì)本文提出的任務(wù)調(diào)度方法進(jìn)行驗(yàn)證，每個(gè)任務(wù)均執(zhí)行耗費(fèi)一定時(shí)間的操作，分別測(cè)量每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期，結(jié)果參見圖 2。

圖 2中，上面的波形表示TaskA即20ms任務(wù)的執(zhí)行情況，下面的波形表示TaskB即100ms任務(wù)的執(zhí)行情況。20ms任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間大約為4ms，其中被外部中斷打斷時(shí)大約多執(zhí)行1ms。100ms任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間大約為50ms，其中被20ms打斷5次，大約需要20ms，任務(wù)本身的執(zhí)行也會(huì)被外部中斷打斷。本方法任務(wù)運(yùn)行周期穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的任務(wù)調(diào)度方法利用了DSP本身的中斷機(jī)制，任務(wù)調(diào)度周期準(zhǔn)確且可搶占，能夠滿足嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。同時(shí)其代碼量非常小，幾乎不占用額外的運(yùn)行RAM，且任務(wù)切換完全使用CPU本身的中斷自動(dòng)切換機(jī)制，具有安全性高、效率高的優(yōu)點(diǎn)。