一種時間觸發(fā)的多任務調(diào)度器設計

1、    一種時間觸發(fā)的多任務調(diào)度器設計摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte引 言目前，嵌入式系統(tǒng)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

2、產(chǎn)品的系統(tǒng)一般功能強大，多數(shù)使用嵌入式操作系統(tǒng)，往往與無線通信、互聯(lián)網(wǎng)訪問以及多媒體處理等復雜而強大的功能聯(lián)系在一起；另一類是微控制器，它通常以某一種微控制器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)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(shù)上的考慮，這類系統(tǒng)的軟件開發(fā)還是基于處理器直接編寫，沒有配備多任務操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，也不需要將系統(tǒng)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(diào)度器來完成多任務的處理。本文設計并實現(xiàn)了一種基于時間觸發(fā)的多任務調(diào)度器。該調(diào)度器使用傳遞消息(message)的方式使得控制器在多個

3、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(fā)一個任務，所以本文對兩者不做詳細區(qū)分。1 嵌入式軟件的兩種觸發(fā)方式嵌入式系統(tǒng)中，通常采用兩種本質(zhì)上不同的調(diào)度方式：事件觸發(fā)和時間觸發(fā)。事件觸發(fā)方式往往使用多級中斷實現(xiàn)，其發(fā)生時間具有隨機性；而時間觸發(fā)方式則不同，它是通過一個全局時鐘進行驅(qū)動的，系統(tǒng)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(fā)方式存在的問題如果多個中斷源在隨機的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生中斷，則需要處理同時發(fā)生的多個事件。這樣不但增加了系統(tǒng)復雜性，而且降低了對事件觸發(fā)系統(tǒng)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(chuàng)建代碼來正確處理所

4、有可能的中斷組合。中斷事件不會丟失是存在于絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員頭腦中的一種錯誤觀念，這往往給所開發(fā)的產(chǎn)品帶來災難性的后果。事件觸發(fā)系統(tǒng)的開銷是人們經(jīng)常忽略的另一個問題。Alexander Metzner專門討論了這種問題并得出結(jié)論：一個包含27個任務、采用RM調(diào)度算法的事件觸發(fā)系統(tǒng)，CPU的實際利用率僅為18。1.2 時間觸發(fā)方式的優(yōu)點Kopetz首先提出：使用基于時間觸發(fā)的合作式調(diào)度器會使得系統(tǒng)有非常好的可預測性。因此，在某些與安全相關(guān)的應用系統(tǒng)中選用時間觸發(fā)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(tǒng)的可靠性并減輕CPU的負荷。2 時間觸發(fā)調(diào)度器的設計調(diào)度器的

5、設計主要包括3個方面：消息隊列、定時器和周期性任務調(diào)度。在調(diào)度器的實現(xiàn)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(shù)據(jù)類型，通過修改這一部分可以輕松地將該調(diào)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(diào)度器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。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(tài)數(shù)組實現(xiàn)。消息隊列存放應用程序發(fā)送的單次消息和延時處理的消息。消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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Tm

6、rIdx項則指向定時消息在消息隊列中的位置。要發(fā)送消息時，使用函數(shù)vdStrtTmrTsk(INT16UTmValue，struct Msg*pOutMsg)，將pOutMsg指向的消息結(jié)構(gòu)放入隊列MsgQue中。具體的做法是：從數(shù)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(tài)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(diào)度。如果發(fā)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?qū)南ⅰD1中MSG5對應的任務正在

7、執(zhí)行，MSG9是剛到期的定時消息，當前任務結(jié)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(diào)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(tǒng)對交互行為的響應表現(xiàn)欠佳；時間片太短又會明顯地增大調(diào)度器處理耗時，而留給任務運行的時間卻很短。根據(jù)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(xiàn)4 ms定時功能，可以計算出CR70的初值為156，程序?qū)崿F(xiàn)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

8、列RdIdx中去。對定時器相關(guān)的操作涉及具體的平臺，在不同平臺上移植調(diào)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(tǒng)，周期長度必須是4 ms的整數(shù)倍。在每次時鐘中斷以后執(zhí)行下面的函數(shù)，通過將要周期性執(zhí)行的任務放入函數(shù)數(shù)組TskPatt()中就可以執(zhí)行周期為8 ms、16 ms、32 ms、64 ms等周期性任務。3 任務的調(diào)度調(diào)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RdIdx1)，它就可以在下一次調(diào)度中得到處理。任務調(diào)度由wu

9、cExecTsk(void)函數(shù)來完成。它取出MsgQueRdIdx0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(shù)的函數(shù)數(shù)組TskTb1()，就可以將該消息分發(fā)到相應的處理模塊。因為該調(diào)度器是合作式的，所以每個任務處理函數(shù)都必須顯示地調(diào)用退出任務的函數(shù)，否則該任務會永遠的執(zhí)行下去。因此，每個模塊的人口函數(shù)都調(diào)用退出任務的API：在vdExtTsk()中，將當前任務在消息數(shù)組MsgQue中對應的數(shù)據(jù)項置成BUFF_EMPTY。同時，將就緒索引隊列里的數(shù)據(jù)都向前移動，覆蓋當前消息的索引，原來的RdIdx1就變成當前任務的消息索引，參與下一輪調(diào)度。4 應用實例車載音響系統(tǒng)是一個

10、復雜的嵌入式系統(tǒng)，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(fā)，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(diào)度結(jié)構(gòu)既方便了程序的設計和維護，又解決了多個任務之間的調(diào)度問題。針對這個應用，模塊入口函數(shù)數(shù)組TskTb1如表1所列，使用函數(shù)數(shù)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(tǒng)的功能。系統(tǒng)的周期性任務如表2所列。系統(tǒng)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(xiàn)的。系統(tǒng)在NEC公司V850系列微控制器的開發(fā)平臺上用C語言實現(xiàn)，調(diào)度器在車載音響系統(tǒng)中很好地發(fā)揮了作用，系統(tǒng)的交互行為良好，輸入、輸出都感覺不到延遲。該系統(tǒng)已經(jīng)應用在某型