一種時間觸發的多任務調度器設計

目前，嵌入式系統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，使用這類產品的系統一般功能強大，多數使用嵌入式操作系統，往往與無線通信、互聯網訪問以及多媒體處理等復雜而強大的功能聯系在一起；另一類是微控制器，它通常以某一種微控制器內核為核心，芯片內部集成ROM、RAM、定時器、串行口等各種必要功能和外設。出于成本和技術上的考慮，這類系統的軟件開發還是基于處理器直接編寫，沒有配備多任務操作系統作為開發平臺，也不需要將系統軟件和應用軟件完全分開處理。但在實際的應用中，很多時候也會面臨同時應付多種外設、處理多個任務的要求，這就需要安排一個調度器來完成多任務的處理。

本文設計并實現了一種基于時間觸發的多任務調度器。該調度器使用傳遞消息(message)的方式使得控制器在多個任務之間進行切換。因為消息和任務一一對應，一個消息觸發一個任務，所以本文對兩者不做詳細區分。

1 嵌入式軟件的兩種觸發方式

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

1.1 事件觸發方式存在的問題

如果多個中斷源在隨機的時間間隔內產生中斷，則需要處理同時發生的多個事件。這樣不但增加了系統復雜性，而且降低了對事件觸發系統在所有情況下行為的預計能力。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嵌入式系統開發人員頭腦中的一種錯誤觀念，這往往給所開發的產品帶來災難性的后果。事件觸發系統的開銷是人們經常忽略的另一個問題。Alexander Metzner專門討論了這種問題并得出結論：一個包含27個任務、采用RM調度算法的事件觸發系統，CPU的實際利用率僅為18％。

1.2 時間觸發方式的優點

Kopetz首先提出：使用基于時間觸發的合作式調度器會使得系統有非常好的可預測性。因此，在某些與安全相關的應用系統中選用時間觸發方式，設計人員能預先安排可控的順序，保證一次只處理一個事件，提高系統的可靠性并減輕CPU的負荷。

2 時間觸發調度器的設計

調度器的設計主要包括3個方面：消息隊列、定時器和周期性任務調度。在調度器的實現中，將定時器的設置分離出來，并且定義不依賴于編譯器的數據類型，通過修改這一部分可以輕松地將該調度器移植到多種硬件平臺上使用。

2.1 消息隊列的設計

圖1中，消息隊列MsgQue[]和定時隊列TmrQue[]是調度器的核心數據結構。為了減少時鐘中斷中對它們的處理時間，還設置了2個隊列――就緒索引隊列RdIdx[]和定時索引隊列TmrIdx[]。這4個隊列都由靜態數組實現。

消息隊列存放應用程序發送的單次消息和延時處理的消息。消息的數據結構是：

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

要發送消息時，使用函數vdStrtTmrTsk(INT16UTmValue，struct Msg*pOutMsg)，將pOutMsg指向的消息結構放入隊列MsgQue[]中。具體的做法是：從數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設置成BUFF-USED；然后將此消息項對應的索引值放入RdIdx[]的第一個空閑項中等待調度。如果發送的是延時消息，則要使用vdStrtTmrTsk(INT16U TmValue，structMsg*pOutMsg)將延時時間放入TmrQue[]中，并使用對應的TmrIdx[]項指向對應的消息。

圖1中MSG5對應的任務正在執行，MSG9是剛到期的定時消息，當前任務結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 定時器的設計

調度器必須先設定一個默認的時間片，這并不是件簡單的事。時間片過長會導致系統對交互行為的響應表現欠佳；時間片太短又會明顯地增大調度器處理耗時，而留給任務運行的時間卻很短。根據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4 ms定時功能，可以計算出CR70的初值為156，程序實現如下：

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

2.3 周期性任務的處理方法

對于該系統，周期長度必須是4 ms的整數倍。在每次時鐘中斷以后執行下面的函數，通過將要周期性執行的任務放入函數數組TskPatt[]()中就可以執行周期為8 ms、16 ms、32 ms、64 ms等周期性任務。

3 任務的調度

調度器的算法使用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前消息索引的后面(也就是位置RdIdx[1])，它就可以在下一次調度中得到處理。

任務調度由wucExecTsk(void)函數來完成。它取出MsgQue[RdIdx[0]]對應的消息，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的函數數組TskTb1[]()，就可以將該消息分發到相應的處理模塊。

因為該調度器是合作式的，所以每個任務處理函數都必須顯示地調用退出任務的函數，否則該任務會永遠的執行下去。因此，每個模塊的人口函數都調用退出任務的API：

在vdExtTsk()中，將當前任務在消息數組MsgQue[]中對應的數據項置成BUFF_EMPTY。同時，將就緒索引隊列里的數據都向前移動，覆蓋當前消息的索引，原來的RdIdx[1]就變成當前任務的消息索引，參與下一輪調度。

4 應用實例

車載音響系統是一個復雜的嵌入式系統，它的微控制器要處理大量的外圍設備，如圖2所示。為了便于開發，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的處理。使用上面介紹的調度結構既方便了程序的設計和維護，又解決了多個任務之間的調度問題。

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

系統的周期性任務如表2所列。系統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的。

系統在NEC公司V850系列微控制器的開發平臺上用C語言實現，調度器在車載音響系統中很好地發揮了作用，系統的交互行為良好，輸入、輸出都感覺不到延遲。該系統已經應用在某型號的汽車上。

結 語

在工程中采用事件觸發模式很大程度上會增加系統的復雜性；而商業實時操作系統往往價格昂貴，并且需要很大的操作系統開銷。本文設計并實現了基于時間觸發的調度器，它通過傳遞消息的方式完成多任務的切換，可以滿足實時、簡單、可預測性等工程要求。這種設計還使得系統易于開發和維護，應用于車載音響系統中取得了很好的效果。