通過任務分割提高嵌入式系統的實時性

引言

? 隨著工業的飛速發展，人們對系統實時性的要求越來越高。計算機技術的進步客觀上也為進一步提高實時性提供了可能。因此近年來，嵌入式實時系統的研究已經成為單片同應用領域的又一大熱點，實編排軟件也越來越多，有商業軟件，也有免費的代碼。然而影響系統實時性的因素很多，有硬件，也有軟件的。這就決定了提高系統的實時性并不是一件十分容易的事情，除了使用高性能的CPU和高效的實時內核外，在實時系統應用的過程中，還要結合具體情況進行具體分析，充分利用CPU的效率，挖掘內核的實時潛能。

1 任務與嵌入式多任務實時系統

1.1 任務與多任務

? 在嵌入式多任務實時系統時，任務是指一個程序分段。這個分段被操作系統當作一個基本單元來調度。

? 典型地，每個任務都是一個無限的循環，而且在同一時刻只能處于以下5種狀態之一。這5種狀態是休眠態、就緒態、運行態、等待態和被中斷態，如圖1所示。


? 多任務系統的執行過程實際上就是一系列任在這5種狀態中循環流動、輪流被內核調度的過程。多任務運行使CPU的利用率得到最大的發揮，并使應用程序模塊化。

1.2 嵌入式多任務實時系統

?? ?RTOS本質上就是嵌入的實時內核，它負責管理各個任務，或者說是為每上任務分配CPU時間，并且負責任務之間的通信。實時內核可分為可剝奪型和不同剝奪型兩類。因此，按照所使用內核的不同，嵌入式實時系統也可分為兩類：使用不可剝奪型內核的嵌入式實時系統和使用可剝奪型內核的嵌入式實時系統。

2 實時系統中的長任務問題

2.1 長任務的定義

? 在RTOS中，長任務就是指整個任務的執行時間較長，超出了RTOS中其它某一個或某幾個任務的實時要求容限，而對整個RTOS的實時性構成威脅的那些任務。

2.2 長任務對RTOS的影響

? 當使用可剝奪型實時內核時，長任務由于執行的時間較長，因而更容易被高優先級的任務打斷；一旦高優先級的任務進入了就緒態，當前任務的CPU使用權就被剝奪了，或者說任務被掛起了，那個高優先級的任務立刻得到了CPU的控制權。這樣會出現兩個問題：一是長任務可能在一次執行的過程中被頻敏打斷，長時間得不到一次完整的執行；二是長任務被打斷時，可能要保存大量的現場信息，其目的是為了保證在高優先級的任務執行完返回后，長任務能得以繼續執行。然而，這樣做要占用一定的系統資源，同時保存現場本身也是要占用CPU時間的，因此，實時性也會下降。

??? 當使用不可剝奪型實時內核時，長任務對RTOS的影響更為明顯，因為在這種內核中，任務級響應時間取決于最長的任務執行時間。這也就是說由于長任務的存在，任務級的響應時間要變長。其結果是CPU長時間停留在長任務中，其它的任務得不到實時的響應，甚至于根本得不到執行，系統的實時性勢必要下降。

總之，無論是使用可剝奪型內核，還是使用不可剝奪型內核，長任務都會對RTOS構成嚴重的威脅。

3 長任務問題的解決

? 解決長任務問題最有效的途徑是進行任務分割。所謂任務分割指將影響系統實時性的長任務分割成若干個小任務。這樣單個任務的執行時間變短，系統的任務級響應時間變短，實時性提高。

3.1 對RTOS的分析與計算

? 當然，長任務的分割必須結合系統中所使用的內核，以及各任務對實時性的要求情況，進行必要的分析計算，才能保證分割的合理性和有效懷，具體的步驟如下：

①分析系統共有多少個任務，這些任務對實時性的要求有多高，求出各個任務所要求的最小執行頻率f1，f2，f3……fn。

②計算目前各任務的實際執行時間t1，t2，t3……tn。

③確定系統中的長任務

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

則此系統中不存在長任務。

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

則存在長任務，而且執行時間為max（t1,t2,t3……tn）的那個任務就是要找的長任務。

④分析此長任務是否需要分割

分析一下是什么原因導致執行的時間過長，這個時間還能夠通過程序的優化來縮短？如果能，則不需要進行任務分割；否則要對這個長任務進行分割。

??? 3.2 任務分割

常用的任務分割的方法有以下兩種：

①將長任務按功能分為若干個小模塊，每一個模塊構成一個小任務，每個小任務執行一個相對獨立的功能，且要保證執行時間t
②有的長任務比較特殊，例如鍵盤任務和動態 LED顯示任務，很難按照方法1所說的把它分成若干個功能相對獨立的小模塊。這時，一般是按照方便保存現場信息原則，強制將其分割成若干個小任務，每個任務在min(1/f1,1/f2,1/f3……1/fn)時間內主動保存現場信息、放棄CPU的控制權，等到再次被內核調度時繼續執行。

? 這種分割方法相對復雜，各任務之間界限不是很明顯，看似未經分割，但實際上它確實是由多次任務中斷來完成。下面就以這種分割方法為例具體說明。

4 實例分析

4.1 系統介紹

??? 在此，系統的硬件基礎是基于 MC68HC908GP32單片機系統的，用其普通I/O口作為矩陣式鍵盤的輸入輸出引腳；軟件基礎是在MC68HC908GP32中運行 Motorola公司的Joanne Santangeli編寫的基于時間片的不可剝奪的實時內核，如圖2所示。
?

??? 此內核主要是利用微控制器內部的時間模塊產生恒定的實時中斷，將CPU的運行時間分成一個個時間片。內核的任務調度工作都是在時間片的開始階段完成的，而每個任務都必須在單個時間片內完成。

??? 在這個內核中，每0.5ms發生1次時鐘中斷，而每10次時鐘中斷組成了1個時間片（5ms）。任務1的優 先級最高，每2個時間片（10ms）會執行1次，任務2每4個時間片（20ms）執行1次，優先級最低的任務6則每64個時間片（320ms）會執行1次。

4.2 系統中的鍵盤任務問題

?? 在單片機系統中，鍵盤主要用于輸入數據、代碼和命令，因此系統必須循環不停地掃描掃描；一是有鍵波按下，CPU立即做出響應。鍵盤任務子程序也是根據這個要求而設計的。一般有兩種處理方式：一是中斷方式，二是查詢方式。從有鍵按下時開始，到按鍵釋放并轉相應子程序而終止。該任務被內核調度的情況如圖3所示。

? 圖3中，Δt是人手按鍵的時間，一般為100～300ms。為了能說明問題，這里取100ms。

令 t1'-t1=Δt1,t2'-t2=Δt2

則一次鍵盤任務的執行時間

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
?
? 實際上，由于兩次任務執行的情況不完全相同，Δt1與Δt2可能會有相當于幾個指令周期的時間差異，但也只是μs級的誤差。而且，這里是以時間片的形式來計算的，所以依然可以認為

Δt2-Δt1=0

因而有

Δt'=Δt+(Δt2-Δt1)=Δt=100ms(20個時間片)

?也就是說，在這20個時鐘片內只執行1次鍵盤任務，大部分的時間都在空等待。在此期間，系統中會有20-1=19次其它任務的執行被錯過，圖3中虛線所示就是在此100ms期間被錯過執行的19個任務。顯然，這在大多數多任務系統中都是不允許的。

因此，在這個多任務實時系統中，鍵盤任務是個典型的長任務，要使其它19次任務中斷都有被應用的機會，必須對該鍵盤任務進行分割。

4.3 鍵盤任務的分割

?? 鍵盤分割的方法是將一次鍵盤任務分成多個小任務，通過多次任務中斷來完成。我們將其放在任務4中（80ms執行1次）。這樣有ttask4≤ttask≤2ttask4，即可以保證鍵盤任務完整可靠地執行，又提高了CPU的效率。圖4是分割后的鍵盤任務的執行過程。

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??? 從圖4可以看出，1次完整的鍵盤任務是由2～3次任務中斷來完成的。情況a中，每一次任務中斷發生在ta1時刻，在接下來的一個時間片（5ms）內，檢測到有鍵按下，調用查詢值任務；第一次任務中斷發生在ta2時刻，在接下來的一個時間片（5ms）內，檢測到按鍵已釋放，跳轉并執行相應鍵處理程序。

?? 情況b中，第二次任務中斷時（tb2時刻），鍵還沒有松開，因此實際上什么也不做；第三次中斷（tb3時刻）才跳到與鍵值對應的子程序。

?? 通過這樣的分割，每個子任務都可以在5ms 內完成。如果系統中還有大于5ms的長任務的話，可按此法繼續進行分割；如果沒有的話，系統任務級響應時間一定小于5ms。這樣，此系統的實時性大大提高，由100ms提高到5ms。本刊網絡補充版（http://www.dpj.com.cn）中，介紹了此任務改進后的部分源程序。

結語

?? 通過任務分割，可以顯著地提高多任務系統的實時性。本文改進后的源程序已經在基于MC68HC908GP32的溫室控制器中成功地運行過。除此以外，還成功地對LED和SCI任務進行了分割。改進后，除了實時性大大提高外，CPU的執行效率也有顯著提高。