智能儀表是自動控制技術(shù)的重要組成部分。隨著智能儀表在工業(yè)控制、通信和汽車電子中的廣泛應用，智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展;同時，智能儀表復雜度不斷增加，對實時性要求幾乎達到了苛刻的程度。在編程方式和代碼重復利用等方面，超循環(huán)方式的智能儀表越來越不能滿足資源管理和系統(tǒng)的實時要求，迫切需要在中低端智能儀表中加入一些輕量級的多任務管理的調(diào)度器或?qū)崟r操作系統(tǒng)。本文根據(jù)智能儀表對嵌入式操作系統(tǒng)的特殊要求設計了一種新的任務調(diào)度算法，并實現(xiàn)了一個應用于中低端儀器儀表的嵌入式微調(diào)度器。 1 實時任務調(diào)度的一般方法和策略 　　在實時操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)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(tài)：執(zhí)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)（有的操作系統(tǒng)還具有掛起和休眠狀態(tài)）。為了滿足實時性要求，系統(tǒng)根據(jù)一定的原則選擇合適的任務執(zhí)行。 　　常見的任務調(diào)度算法分為靜態(tài)算和動態(tài)算法兩類： 　?、?靜態(tài)算法：在系統(tǒng)在運行前（即系統(tǒng)初始化階段），就為所有的任務分配固定的優(yōu)先級別，在系統(tǒng)執(zhí)行過程中優(yōu)先級保持不變。當一個事件發(fā)生時，調(diào)度程序只需要查就緒表，就可以調(diào)度哪個任務處于運行狀態(tài)。 　?、?動態(tài)算法：在系統(tǒng)初始化時初步分配一個優(yōu)先級。每一個任務在運行時可以改變它的優(yōu)先級。當前的嵌入式操作系統(tǒng)一般采用靜態(tài)算法，只在處理優(yōu)先級反轉(zhuǎn)時臨時采用動態(tài)優(yōu)先級算法。 2 儀器儀表對調(diào)度算法的要求 　　為了提高儀表的可靠性，實現(xiàn)高性能、多功能應用，應用于智能儀表的調(diào)度器必須滿足以下要求： 　?、倭己玫膶崟r性。智能儀表必須實時地對通過現(xiàn)場總線采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字編碼，通過人機界面進行顯示，并把用戶對被監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)設置實時地傳送給執(zhí)行部件。 　?、?基于優(yōu)先級的任務調(diào)度策略。在復雜的大規(guī)模應用中需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，對其數(shù)據(jù)顯示和傳輸控制需要通過不同優(yōu)先級的任務來控制。 　　③ 低消耗要求。隨著應用環(huán)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(diào)度器必須占用較少的系統(tǒng)資源。 　?、?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(diào)度器必須具備小內(nèi)核以減小存儲空間。此外，還要求調(diào)度器必須有精確定時的功能，也就是事件驅(qū)動和時鐘驅(qū)動相結(jié)合，以滿足智能儀表中周期性任務執(zhí)行和突發(fā)性任務執(zhí)行的需要。 3 嵌入式微調(diào)度器的設計與實現(xiàn) 　　根據(jù)智能儀表對調(diào)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(tài)優(yōu)先級，單任務隊列、具有4種任務狀態(tài)的非搶占式調(diào)度的輕量級任務調(diào)度算法，并根據(jù)這種算法實現(xiàn)了應用于智能儀表的調(diào)度器。該算法的特點是以任務在任務控制塊數(shù)組中的相對位置表示優(yōu)先級高低，任務的狀態(tài)和延時量使用統(tǒng)一的任務狀態(tài)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(tài) 　　在本調(diào)度器中任務有4種狀態(tài)：就緒狀態(tài)、運行狀態(tài)、等待狀態(tài)和掛起狀態(tài)。內(nèi)存中的任務必須處于這4種狀態(tài)之一。 　　就緒狀態(tài)：指任務運行的時間條件和資源條件都滿足，等待調(diào)度算法選擇最合適的任務進入就緒狀態(tài)。任務一旦建立就處于就緒狀態(tài)，這一點和μC/0S—II相同。 　　運行狀態(tài)：是當前時刻任務占有CPU資源正在運行的狀態(tài)。本調(diào)度算法選擇進入就緒任務隊列中優(yōu)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(tài)。 　　等待狀態(tài)：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(tài)。使任務延遲一段時間可通過調(diào)用0s_TasK_Delay（）函數(shù)實現(xiàn)。調(diào)度器在每個系統(tǒng)時鐘節(jié)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(tài)。 　　掛起狀態(tài)：正在運行的任務需要等待某一事件的發(fā)生，如果該事件沒有發(fā)生那么任務就處于掛起狀態(tài)。事件的發(fā)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(tǒng)還可能處在中斷服務狀態(tài)。這是一種特殊的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)響應中斷時，正在執(zhí)行的任務被掛起，中斷服務程序控制了CPU的使用權(quán)，系統(tǒng)就進入中斷服務狀態(tài)。 　　其中，空閑任務優(yōu)先級最低，而且永遠處于就緒狀態(tài)，而且當所有的任務都在等待事件發(fā)生或者延遲時間結(jié)束時，操作系統(tǒng)就會執(zhí)行空閑任務。 　　3.2 調(diào)度器核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 　　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(tài)字和任務優(yōu)先級4個部分組成。任務堆棧用于保護被中斷的現(xiàn)場數(shù)據(jù);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(tài)字用來表示任務當前的狀態(tài)和延遲的時間間隔;任務優(yōu)先級表示就緒列表中的哪個任務可以優(yōu)先進入運行狀態(tài)。在整個調(diào)度過程中使用一個全局的任務控制塊數(shù)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(yōu)先級通過任務控制塊在任務控制塊數(shù)組中的相對位置來表示。每個任務有且僅有一個優(yōu)先級，所以任務的優(yōu)先級也可以用任務的ID號來表示。任務控制塊結(jié)構(gòu)如下： 　　typedef struct｛ //tsk_tcb結(jié)構(gòu)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(tài) 　　U8 prior; //任務優(yōu)先級 　　｝TCB; 　　3.2.2 任務調(diào)度算法及實現(xiàn) 　　這種算法已在16位單片機Motorola MC9S12DP256B和8位單片機AT89C52上實現(xiàn)。一些與硬件相關的算法，主要給出在MC9S12DP256B上的算法實現(xiàn)。 　?、俳⑷蝿誒s—Task-Create（）算法。任務創(chuàng)建函數(shù)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(tǒng)建立任務的過程。如上節(jié)所述每個任務對應一個優(yōu)先級，所以任務ID也可表示任務的優(yōu)先級。建立任務的過程就是，把任務控制塊數(shù)組的任務入口地址對應ID（即任務優(yōu)先級）的任務控制塊的任務入口地址指向任務函數(shù)的地址，并初始化該任務的任務堆棧。 　?、?任務調(diào)度算法的功能是找到當前就緒列表中優(yōu)先級最高的任務，并把這個任務切換到運行狀態(tài)。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(yōu)先級的高低，并不需要實際地對任務優(yōu)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(yōu)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(tài)，繼續(xù)檢查下一優(yōu)先級的任務。如果當前任務標志為1，則找到最高優(yōu)先級任務退出循環(huán)，調(diào)用任務調(diào)度函數(shù)進行任務狀態(tài)切換。 　　任務的調(diào)度算法如下： 　　void os_schedule_task（void）｛ 　　int i ; 　　pCur_task=pHi_task; 　　for（i=O;i 　?。? 　　Hi_task=i; 　　if（pHi_task!=&os_tcb[i]）｛ 　　pHi_task=&os_tcb[i]; 　　os_sw_task（）; 　?。? 　?。? 　　任務級切換函數(shù)需要改變程序計數(shù)器（PC），所以必須通過軟中斷實現(xiàn)。在軟中斷服務函數(shù)中改變當前運行任務的TCB指針到最高優(yōu)先級就緒任務，執(zhí)行中斷返回指令在新的任務堆棧中彈出最高優(yōu)先級任務的PSW和PC指針，從而完成任務切換。 　?、?任務狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要是激活任務os_TasK_Active（）、掛起任務os_TasK_Suspend（）和延遲任務os_TasK_Delay（）。掛起任務使任務進入掛起狀態(tài)，延遲任務使任務進入等待狀態(tài)，而激活任務函數(shù)可以使任務從掛起狀態(tài)或者等待狀態(tài)直接進入就緒狀態(tài)。任務的狀態(tài)由任務控制塊中的任務狀態(tài)字（os_tcb.state）給出。當os_tcb.state=1時表示任務進入就緒狀態(tài);當os_tcb.state=O時表示任務處于掛起狀態(tài);當os_tcb.state>1時表示任務等待os_tcb.state-1個系統(tǒng)時鐘間隔之后進入就緒狀態(tài)。任務狀態(tài)切換示意圖如圖2所示。 　　④由于這些中低端的儀器儀表每個任務的執(zhí)行時間都比較短，為了避免優(yōu)先級反轉(zhuǎn)和死鎖，采用非搶占式調(diào)度方式，進入就緒態(tài)的任務必須在當前任務執(zhí)行完成后才能被調(diào)度。調(diào)度時處于就緒表中優(yōu)先級最高的任務進入運行。 　　3.2.3 調(diào)度算法的時鐘驅(qū)動 　　時間驅(qū)動需要硬件提供時鐘節(jié)拍來實現(xiàn)任務的定時。時鐘節(jié)拍信號源可以是專門的硬件定時器，比如AT89C52中的Timer2。也可以使用其他更精確的方式提供系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。在這里使用MC9S12DP256B捕獲器的第7個通道來實現(xiàn)，時鐘中斷處理函數(shù)如下： 　　 　　的捕獲器中有一個自動增長主時鐘，每一個硬件周期驅(qū)動TCNT+1，并與TC7相比較。設置TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS（在系統(tǒng)配置文件中定義），當度過OS_TICK_OC_CNTS個硬件周期時，TCNT=TC7則產(chǎn)生中斷。在中斷中調(diào)用系統(tǒng)時鐘節(jié)拍函數(shù)提供精確的系統(tǒng)時鐘節(jié)拍，并再次初始化TC7=TCNT+OS_TICK_OC_CNTS，產(chǎn)生下一個時鐘節(jié)拍。 　　系統(tǒng)時鐘節(jié)拍函數(shù)自動檢查每個被延遲的任務，當任務的延遲周期結(jié)束后，自動將任務切換到就緒狀態(tài)。具體算法如下： 　　① 從任務控制塊列表頭部開始順序檢查各任務狀態(tài)字，將所有延遲任務的任務狀態(tài)字減1。 　?、?當前延遲任務的狀態(tài)字變?yōu)?時，該任務延時結(jié)束，置就緒任務列表改變標志位。 　?、?恢復被中斷任務狀態(tài)，返回中斷。系統(tǒng)時鐘驅(qū)動代碼如下 　　 結(jié) 語 　　本文提出的任務調(diào)度算法是一個應用于智能儀表系統(tǒng)的中間件，目的是良好地管理CPU資源，提供方便的用戶應用接口，具有良好的可移植性、時間性能和空間性能。在具有大量周期性任務的輕量級智能儀表的應用中，性能和易用性的提高是非常明顯的。該算法已經(jīng)成功應用于車載智能儀表的圖形操作系統(tǒng)中。