時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度在微控制器C8051F020中的實現(xiàn)及應(yīng)用

在微機控制領(lǐng)域中，多數(shù)系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)。實時的含義是對隨機發(fā)生的外部事件做出及時的響應(yīng)并對其進行處理。為了更好地完成實時數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和相應(yīng)的多種實時控制操作，必須同時考慮到實時性和多任務(wù)并行性這2個因素。既要保證系統(tǒng)以足夠快的速度對外部事件進行響應(yīng)并處理，又能在宏觀上并行執(zhí)行多個任務(wù)。實時多任務(wù)系統(tǒng)依靠適當?shù)娜蝿?wù)調(diào)度方法來決定在系統(tǒng)中哪個任務(wù)可以獲得CPU和其他系統(tǒng)資源，哪個任務(wù)暫時退出運行狀態(tài)，從而達到實時處理多任務(wù)的目的。時間片輪轉(zhuǎn)算法是實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度的常用算法。在這種算法中，如果將某個時間片分配給某個任務(wù)，那么在此時間片內(nèi)，這個任務(wù)獲得CPU并運行，然后在下個時間片到來時又將CPU分配給另一個任務(wù)。這樣，并發(fā)任務(wù)在微觀上交替運行，而在宏觀上并行執(zhí)行。

1實時多任務(wù)機制的實現(xiàn)

實時控制系統(tǒng)中允許多個實時任務(wù)并行執(zhí)行，在一些測控系統(tǒng)中有數(shù)據(jù)采集、端口檢測、模擬量輸出、開關(guān)量輸出數(shù)據(jù)處理和存儲等多種任務(wù)。在單片機中，要達到這樣的效果：在微觀上，某一時刻只能運行一個任務(wù)，但在宏觀上這些任務(wù)是同時運行的。

實時任務(wù)通過分時處理實現(xiàn),相當于操作系統(tǒng)中的進程。每個任務(wù)有3種狀態(tài)，即運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)，某個任務(wù)一旦建立后即處于這3種狀態(tài)之一。處于運行狀態(tài)的任務(wù)獨占CPU 和其他一些資源；就緒狀態(tài)是該任務(wù)已獲得了除處理機以外的一切所需資源，運行條件滿足，只因為缺少CPU而不能運行；等待狀態(tài)是一個任務(wù)在等待某個事件（如其他任務(wù)的信息，等待某系統(tǒng)資源等）的發(fā)生而暫時停止執(zhí)行。通過有效的任務(wù)調(diào)度來完成3個狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在實時多任務(wù)系統(tǒng)中任務(wù)調(diào)度算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的實時性與并行性。

時間片輪轉(zhuǎn)法是根據(jù)某一時間片的切換輪流地調(diào)度所有就緒任務(wù)的方法:將CPU 的運行時間劃分為許多小的時間片,由調(diào)度程序按一定順序分配給不同任務(wù),每個任務(wù)分別在自己的時間片內(nèi)訪問CPU，中斷實現(xiàn)系統(tǒng)對外界信息的實時響應(yīng)，同時擔當時間片切換的驅(qū)動力。考慮到不同任務(wù)的實時性要求不同，不能統(tǒng)一劃分，我們采取以最小時間片為基準，其他時間片是他的倍數(shù)，這樣就提高了系統(tǒng)的資源利用率。

在這種調(diào)度算法中，時間片的選擇很重要，通常要考慮所要完成任務(wù)的數(shù)目、各任務(wù)的不同實時性要求、系統(tǒng)的處理能力等因素。

2時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度在火車閘片摩擦系數(shù)測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1系統(tǒng)分析

要模擬火車剎車的過程，完成對火車閘片的摩擦系數(shù)的測試，需實現(xiàn)以下幾個步驟：

(1)用模擬輸出端口輸出0~10 V電壓作為變頻器的頻率設(shè)定值，使變頻器控制電機按升速時間將車輪轉(zhuǎn)速逐步提升，按升速時間達到設(shè)定速度。

(2)據(jù)設(shè)定氣壓和實際氣壓的比較決定應(yīng)該排氣還是進氣，并執(zhí)行相應(yīng)的打開/關(guān)閉進氣閥或出氣閥的操作，使氣壓達到設(shè)定值。在未測試前要不斷檢測氣壓狀態(tài)，保持氣壓的穩(wěn)定。

(3)測試按鈕按下時，打開加壓閥，開始剎車。由于要模擬火車的剎車慣量，電機不能立即停止，因此在加壓的同時，要使變頻器控制電機逐步減速。系統(tǒng)按降速時間降到0，在這個減速剎車的過程中，同時記錄從測力傳感器采集并平滑后的數(shù)據(jù)放入指定變量區(qū)。

既要保證任務(wù)的實時響應(yīng)，又要實現(xiàn)多任務(wù)在宏觀上的同時進行，我們采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，且根據(jù)不同任務(wù)的不同實時性要求, 以最小時間片為基準,劃分不同時間片。該測試系統(tǒng)要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，模擬量輸出，開關(guān)量輸出/讀入等操作，這些操作對應(yīng)的具體任務(wù)及其實時性要求如表1所示。

實時性要求相同的任務(wù)，為同一級別，用狀態(tài)變量來區(qū)分任務(wù)是處于就緒狀態(tài)，還是等待狀態(tài)，從而決定是否分配時間片。

2.2時間片的選定

在時間片輪轉(zhuǎn)算法中，時間片的大小對系統(tǒng)性能有很大影響。如果時間片太大，大到每個任務(wù)都能在該時間片內(nèi)執(zhí)行完畢，則時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法就失去意義，而且可能耽 誤一些實時性較強的任務(wù)；時間片過小，會使一些任務(wù)來不及響應(yīng)。由上面的分析，可以看出在這個測試系統(tǒng)中，所要選擇的基準時間片為1 ms，其他的時間片為他的倍數(shù)。