嵌入式智能儀表自動控制技術

本文根據智能儀表對嵌入式操作系統的特殊要求設計了一種新的任務調度算法，并實現了一個應用于中低端儀器儀表的嵌入式微調度器。

1、實時任務調度的一般方法和策略

在實時操作系統中，系統把應用分為行為可以預知的、功能確定的多個任務。每個任務一般處于3種狀態：執行狀態、就緒狀態和等待狀態(有的操作系統還具有掛起和休眠狀態)。為了滿足實時性要求，系統根據一定的原則選擇合適的任務執行。

常見的任務調度算法分為靜態算和動態算法兩類：

① 靜態算法：在系統在運行前(即系統初始化階段)，就為所有的任務分配固定的優先級別，在系統執行過程中優先級保持不變。當一個事件發生時，調度程序只需要查就緒表，就可以調度哪個任務處于運行狀態。

② 動態算法：在系統初始化時初步分配一個優先級。每一個任務在運行時可以改變它的優先級。當前的嵌入式操作系統一般采用靜態算法，只在處理優先級反轉時臨時采用動態優先級算法。

2、儀器儀表對調度算法的要求

為了提高儀表的可靠性，實現高性能、多功能應用，應用于智能儀表的調度器必須滿足以下要求：

①良好的實時性。智能儀表必須實時地對通過現場總線采集的數據進行數字編碼，通過人機界面進行顯示，并把用戶對被監控系統的參數設置實時地傳送給執行部件。

② 基于優先級的任務調度策略。在復雜的大規模應用中需要使用大量的傳感器、執行器和控制器等，對其數據顯示和傳輸控制需要通過不同優先級的任務來控制。

③ 低消耗要求。隨著應用環境的復雜化，對智能儀表的計算能力要求越來越高，勢必要求調度器必須占用較少的系統資源。

④ 低成本要求。為了降低成本，在硬件設計上，存儲器的大小是成本控制的一個方面。因此，要求提供的調度器必須具備小內核以減小存儲空間。此外，還要求調度器必須有精確定時的功能，也就是事件驅動和時鐘驅動相結合，以滿足智能儀表中周期性任務執行和突發性任務執行的需要。

3、嵌入式微調度器的設計與實現

根據智能儀表對調度算法實時性、多任務、低消耗的要求，本文提出了一種新的靜態優先級，單任務隊列、具有4種任務狀態的非搶占式調度的輕量級任務調度算法，并根據這種算法實現了應用于智能儀表的調度器。該算法的特點是以任務在任務控制塊數組中的相對位置表示優先級高低，任務的狀態和延時量使用統一的任務狀態字，在少量任務的輕量級應用中具有很好的時間和空間性能。

3.1 任務的狀態

在本調度器中任務有4種狀態：就緒狀態、運行狀態、等待狀態和掛起狀態。內存中的任務必須處于這4種狀態之一。

就緒狀態：指任務運行的時間條件和資源條件都滿足，等待調度算法選擇最合適的任務進入就緒狀態。任務一旦建立就處于就緒狀態，這一點和μC/0S-II相同。

運行狀態：是當前時刻任務占有CPU資源正在運行的狀態。本調度算法選擇進入就緒任務隊列中優先級最高的任務運行。任何時刻只能有一個任務處于運行狀態。

等待狀態：如果任務需要等待一段時間才能運行，那么這個任務當前處于等待狀態。使任務延遲一段時間可通過調用0s_TasK_Delay()函數實現。調度器在每個系統時鐘節拍檢查任務延遲時間，一旦任務定義的延遲時間到，就使任務進入就緒狀態。

掛起狀態：正在運行的任務需要等待某一事件的發生，如果該事件沒有發生那么任務就處于掛起狀態。事件的發生可能來自另外一個任務，也可能來自中斷服務程序。

除此之外，系統還可能處在中斷服務狀態。這是一種特殊的運行狀態，當系統響應中斷時，正在執行的任務被掛起，中斷服務程序控制了CPU的使用權，系統就進入中斷服務狀態。

其中，空閑任務優先級最低，而且永遠處于就緒狀態，而且當所有的任務都在等待事件發生或者延遲時間結束時，操作系統就會執行空閑任務。

3.2 調度器核心數據結構

3.2.1 任務控制塊和任務控制塊列表

任務控制塊由任務堆棧、任務入口地址、任務狀態字和任務優先級4個部分組成。任務堆棧用于保護被中斷的現場數據;任務入口地址是指向任務程序的指針，用于指定任務所進行的操作;任務狀態字用來表示任務當前的狀態和延遲的時間間隔;任務優先級表示就緒列表中的哪個任務可以優先進入運行狀態。在整個調度過程中使用一個全局的任務控制塊數組來表示任務控制塊列表。每個任務使用唯一一個任務控制塊表示，任務的優先級通過任務控制塊在任務控制塊數組中的相對位置來表示。每個任務有且僅有一個優先級，所以任務的優先級也可以用任務的ID號來表示。任務控制塊結構如下：

typedef STruct{ //tsk_tcb結構定義

pStack stack; //tsk_tcb堆棧入口

pTAsK task; //tsk_tcb指向的任務

U8 state; //tsk.tcb任務目前的狀態

U8 prior; //任務優先級

｝TCB;

3.2.2 任務調度算法及實現

這種算法已在16位單片機Motorola MC9S12DP256B和8位單片機AT89C52上實現。一些與硬件相關的算法，主要給出在MC9S12DP256B上的算法實現。

①建立任務Os-Task-Create()算法。任務創建函數代碼如下：

void 0s_Task_Create(0S_STACK*task_stack，

uW0rd task_id，pTASK task_func){

os_tcb[task_id].task=task_func;

os_tcb[task_id].stack=task_stack;

os_tcb[task_id].prior=task_id;

｝

該程序表示了系統建立任務的過程。如上節所述每個任務對應一個優先級，所以任務ID也可表示任務的優先級。建立任務的過程就是，把任務控制塊數組的任務入口地址對應ID(即任務優先級)的任務控制塊的任務入口地址指向任務函數的地址，并初始化該任務的任務堆棧。

② 任務調度算法的功能是找到當前就緒列表中優先級最高的任務，并把這個任務切換到運行狀態。在任務控制塊列表中使用任務在列表中的相對位置表示優先級的高低，并不需要實際地對任務優先級進行比較。算法流程如圖1所示。

從任務控制塊隊列的頭部(即任務優先級為O的任務)開始依次檢查任務就緒標志(os_tcb.state)，如果當前任務標志≠1，表示當前任務為非就緒狀態，繼續檢查下一優先級的任務。如果當前任務標志為1，則找到最高優先級任務退出循環，調用任務調度函數進行任務狀態切換。