【正文】 真軟件，以便對所提出的任務調(diào)度算法進行仿真驗證。主流仿真軟件有Matlab中自帶的Simulink[26]模塊、NI（美國國家儀器公司）開發(fā)的LabView[26]、Synopsys的Cocentric Studio[27]以及Ptolemy[28]軟件等。通過分析和了解，Ptolemy軟件在仿真單處理器多任務環(huán)境具有明顯優(yōu)勢。Ptolemy軟件是由Berkeley大學開發(fā)的采用面向角色的設計方法進行設計。嵌入式領域的硬件信號特點是多種結構共同，如頻域信號、時域信號、模擬信號和離散信號等等；軟件特點則是通過劃分層次來進行設計，下層給上層提供標準信號，對上層屏蔽底層操作。這種復雜結構在仿真環(huán)境中一般比較難以模擬層次間、異構間的信號進行交互，而Ptolemy采用角色設計方法很好的解決了不同結構之間的信號交互，實現(xiàn)了異構系統(tǒng)的模擬仿真。Ptolemy內(nèi)部自帶有單處理器多任務調(diào)度模塊，直接可以進行任務調(diào)度的算法級仿真。本次選擇Ptolemy軟件進行仿真單處理器多任務調(diào)度環(huán)境，在此基礎上只實現(xiàn)多任務的調(diào)度算法。但是本項目是一個標準的嵌入式系統(tǒng)，具有異構性和層次性[29]，因此上它更適合于整個項目的仿真。優(yōu)先級周期性互換實時系統(tǒng)任務調(diào)度算法的仿真對仿真軟件的要求：需要一個基于優(yōu)先級搶占式的單處理器任務調(diào)度模型；該任務調(diào)度模型可以和連續(xù)時間域的傳遞函數(shù)聯(lián)合仿真。Ptolemy II的時間多任務可以實現(xiàn)基于優(yōu)先級搶占式的單處理器任務調(diào)度模型，由于Ptolemy II的本身特性，它完全可以支持不同模型之間的異構。一、國家自然科學基金項目“實時領域交互行為模型轉換方法及非功能語義規(guī)約研究”（項目編號61263017）二、云南省自然科學基金項目“基于實時語義模型的模型轉換及語義一致性研究”（項目編號2011FZ060）本文研究嵌入式實時系統(tǒng)多任務調(diào)度策略。本文的重點是學習Ptolemy II仿真軟件，分析當前實時系統(tǒng)多任務調(diào)度算法，提出一種改進的多任務調(diào)度方法——優(yōu)先級周期性互換，以及該方法的使用條件，并用仿真軟件Ptolemy II對該方法進行仿真驗證。介紹實時系統(tǒng)的應用范圍、實時操作系統(tǒng)種類；常用任務調(diào)度算法；并簡要介紹Ptolemy II仿真軟件在任務調(diào)度方面的仿真優(yōu)勢。對當前多任務實時系統(tǒng)的任務調(diào)度方法進行分析，并通過仿真軟件Ptolemy II進行實例分析，總結優(yōu)缺點。研究Ptolemy II仿真軟件異構仿真原理和組件功能，重點分析任務調(diào)度方面的優(yōu)勢及使用方法。提出周期性任務優(yōu)先級轉化調(diào)度算法的適用條件，并通過仿真來驗證周期性任務優(yōu)先級轉化的可行性。使用Ptolemy II軟件將周期性任務優(yōu)先級轉化調(diào)度算法融合到實際系統(tǒng)中進行仿真驗證?？偨Y優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法，針對存在的問題，提出下一階段的工作任務。第二章 嵌入式實時系統(tǒng)任務調(diào)度機制嵌入式實時操作系統(tǒng)是針對于嵌入式系統(tǒng)而專門“定制”的一類實時操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。按照嵌入式系統(tǒng)對時效性的要求，分為嵌入式實時操作系統(tǒng)和嵌入式非實時操作系統(tǒng)。嵌入式實時操作系統(tǒng)就比如第一章舉例的汽車上的安全氣囊，它要求安全氣囊在規(guī)定的時間內(nèi)打開。這里就包括了兩個要素：規(guī)定時間內(nèi)和安全氣囊打開。這里的“規(guī)定時間內(nèi)”就是系統(tǒng)對時效性的要求；安全氣囊打開就是一般意義上的邏輯結果正確。這兩個要素必須同時滿足，缺一不可，才能成為“結果”正確。試想，一旦超過這個“規(guī)定時間”，即便是安全氣囊成功打開，也已經(jīng)喪失了安全氣囊存在的必要性。而對于通常情況下的時效性要求則并非實時系統(tǒng)中的時效性。例如目前最為常見的智能手機，它的內(nèi)部就有Android操作系統(tǒng)（非實時操作系統(tǒng)），該系統(tǒng)來自于Linux系統(tǒng)的改進。用戶經(jīng)常反映手機反應快慢的問題，看起來好似實時系統(tǒng)中的時效性問題，實則不然。手機中某個程序響應慢，甚至會出現(xiàn)“該應用程序無響應”的提示。出現(xiàn)這種結果，用戶最多是不耐煩，但不會出現(xiàn)其他意外。但實時系統(tǒng)對外部激勵做出響應一旦錯失時間，那就會導致致命性錯誤。從以上兩個例子，可以感性的了解到實時系統(tǒng)和非實時系統(tǒng)的區(qū)別。接下來給出實時系統(tǒng)中涉及到的概念，便于后續(xù)工作的介紹和論證。同一般操作系統(tǒng)一樣，實時操作系統(tǒng)的主要工作仍然是對系統(tǒng)內(nèi)多任務的調(diào)度和對資源的管理。為了詳細描述任務在各個時刻所處的狀態(tài)，下面給出實時系統(tǒng)中所涉及到的概念[30]。任務：是系統(tǒng)中能夠完成某種功能的軟件實體，它是系統(tǒng)可以調(diào)度的基本單位。為了便于描述任務調(diào)度基本單位，下文將用任務來表征調(diào)度基本單位。不再使用其他文獻中作業(yè)的概念。周期任務：指任務按照某個時間段間隔性的出現(xiàn)在系統(tǒng)中的任務。與之對應的是非周期任務。非周期任務出現(xiàn)時間是隨機的，不確定的。雖然通常情況下任務大多都是非周期性任務，但由于非周期任務調(diào)度算法比較復雜，需要專門對其進行分析。為了便于驗證新提出的任務調(diào)度算法，本文選取的任務均為周期性任務。以下凡是沒有特別說明，所提到的任務均為周期性任務。任務創(chuàng)建：將任務以可執(zhí)行二進制代碼實體加載到內(nèi)存中。就緒態(tài)：任務已具備運行條件，等待CPU空閑。處于就緒態(tài)的任務可以是多個。運行態(tài)：任務獲取CPU資源進行執(zhí)行。處于運行態(tài)的任務只能有一個（在單處理器）。釋放時間：任務由其他狀態(tài)轉變?yōu)榫途w態(tài)的那個時刻稱為它的釋放時間。響應時間：從任務的釋放時間，到任務所有功能都完成的時刻，這段時間是任務的相應時間。當任務在執(zhí)行過程中，由于等待資源而被掛起，從任務的釋放時間到任務被掛起這段時間只是響應時間的一部分，因為任務并未完成所有的任務而放棄了CPU。剩余執(zhí)行時間：響應時間減去任務已經(jīng)執(zhí)行了的時間。截止期：任務必須在此時刻之前完成它應該執(zhí)行的所有功能。若任務的的截止期沒有限制，稱該任務沒有截止期。截止期是一個時間點。空閑時間：就是任務的絕對截止期減去任務的剩余執(zhí)行時間再減去當前時間。任務的空閑時間是一個時間段概念。相對截止期：作業(yè)的響應時間所允許的最大值稱為該作業(yè)的相對截止期。絕對截止期：它等于作業(yè)的釋放時間加上其相對截止期。在實時系統(tǒng)中，所有的作業(yè)都應該在各自的絕對截止期內(nèi)完成。最壞執(zhí)行時間：指任務在執(zhí)行期間由于各種因素的影響，在最壞的條件（時間延遲）下完成所有功能所耗費的最大執(zhí)行時間值。該參數(shù)主要用于硬實時任務調(diào)度系統(tǒng)中的一個重要衡量指標。截止期錯失率：是由系統(tǒng)中所有任務在一段時間內(nèi)未在截止期完成的總數(shù)和系統(tǒng)任務總數(shù)之間的一種比率。該指標主要用在衡量一種調(diào)度算法的優(yōu)良性。很明顯，截止期錯失率越低，系統(tǒng)對任務的調(diào)度成功率越高，調(diào)度算法性能越優(yōu)良。處理器利用率：就是CPU被任務占用執(zhí)行時間與總時間的比值。具體的衡量辦法是：系統(tǒng)中所有任務的最壞執(zhí)行時間與對應任務周期的比值之和就是處理器利用率。系統(tǒng)中所采用的任務調(diào)度算法應使得處理器的利用率必須小于100%，否則，截止期錯失率很高。處理器的利用率越高，所能處理的數(shù)據(jù)量就越大，效率也越高。由于實時系統(tǒng)的結果取決于運算結果邏輯的正確性和產(chǎn)生結果的時間，這就與一般系統(tǒng)有了如下的顯著區(qū)別：時間約束性實時系統(tǒng)最明顯的特點就是添加了時間的概念，只有在規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)生正確的邏輯才算作最終結果的正確。按照截止時間，實時系統(tǒng)被分為“軟實時”系統(tǒng)和“硬實時”系統(tǒng)?！败泴崟r”系統(tǒng)，雖然對結果的時效性有一定的要求，但是如果在某種特殊環(huán)境中導致了系統(tǒng)中的實時任務在執(zhí)行過程中超過了截止時間，卻不至于引起嚴重的后果（涉及到人身財產(chǎn)的損失）。比如監(jiān)控系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)均屬于“軟實時”系統(tǒng)?！坝矊崟r”系統(tǒng)對時效性的要求是最為苛刻的，所有的實時任務必須在截止時間以內(nèi)完成，以免發(fā)生關系到人身傷害的致命性后果。比如汽車的安全氣囊、航天工業(yè)中的對接技術和核控制等領域均屬于“硬實時”系統(tǒng)?！败泴崟r”和“硬實時”兩類實時操作系統(tǒng)因對實效性的要求不同，所以“軟實時”系統(tǒng)的設計要比“硬實時”系統(tǒng)的設計相對簡單。若不涉及到人身財產(chǎn)等重大安全事故，一般的實時任務被設計為“軟實時”系統(tǒng)便足夠?？深A測性實時系統(tǒng)中任務必須在截止時間內(nèi)完成，這就確定了任務的執(zhí)行是可預測的。實時系統(tǒng)應該對任務的進行時限要求的判斷，確定是否可以滿足時限要求。實時系統(tǒng)包括軟硬件兩部分，在軟件層面主要涉及到中斷響應時間、系統(tǒng)任務切換時間和任務調(diào)度時間；在硬件層面主要涉及到I/O口響應時間、存儲區(qū)的讀寫和保護相應時間等。只有整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)響應時間是有界的，才可能設計出實時系統(tǒng)。可靠性實時系統(tǒng)的可靠性是顯而易見的，整個系統(tǒng)的各個部分都有時間的限制要求，以確保系統(tǒng)的可靠性。但是除了時間上的可靠，因受外界復雜環(huán)境的影響（溫度、強電磁環(huán)境等）需要系統(tǒng)的各個部分都要有較強的健壯性。一個小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可對整個系統(tǒng)造成不可估量的錯誤。實時系統(tǒng)為了避免類似情況的發(fā)生，一般在系統(tǒng)中都設計了采用靜態(tài)分析和冗余配置，讓系統(tǒng)能在最惡劣的復雜環(huán)境中都能正常工作。與外部環(huán)境的交互作用性實時系統(tǒng)都是在一定的環(huán)境下運行的，外部環(huán)境是實時系統(tǒng)的組成部分。比如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、各種外部環(huán)境的傳感器等。外部環(huán)境通常是被控子系統(tǒng)，實時系統(tǒng)和外部環(huán)境相互作用構成完整的實時系統(tǒng)。實時系統(tǒng)必須在規(guī)定時間內(nèi)對外部請求或異常作出反應，才能保證外部環(huán)境和整個系統(tǒng)的正常工作。以上四點特性，屬于早期簡單實時系統(tǒng)的特點。早期的實時系統(tǒng)主要組成結構如單板機和簡單的嵌入式實時系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的特點是調(diào)度過程相對簡單。但是隨著系統(tǒng)復雜性的提高和應用范圍的擴大，目前實時系統(tǒng)還具有如下新特性：多任務類型包括非周期任務、偶發(fā)任務、周期性任務以及非實時任務等多種類型任務混合。短暫的超載特點盡管設計人員在實時系統(tǒng)的設計初期盡可能的滿足各項實時指標，但由于總有一些實際環(huán)境的不確定性因素會造成超載。比如系統(tǒng)環(huán)境的動態(tài)變化、應用規(guī)模的擴大以及系統(tǒng)元件出現(xiàn)老化等均會造成系統(tǒng)的短暫超載。任務是系統(tǒng)中能夠完成某種功能的軟件實體，它是系統(tǒng)可以調(diào)度的基本單位。實時任務相較于一般任務多了一個時效性限制，必須在截止期內(nèi)完成。以下所稱任務，除特殊說明外均指實時任務。在實時系統(tǒng)中，按照任務的觸發(fā)時間特點將任務劃分為如下：非周期任務隨機到達系統(tǒng)的任務稱之為非周期任務。它沒有規(guī)律可循，觸發(fā)時間不確定。在仿真環(huán)節(jié)，非周期任務的觸發(fā)時間可以通過仿真軟件提供的隨機數(shù)發(fā)生器來產(chǎn)生非周期任務的觸發(fā)時間進行模擬仿真。周期任務按照一個固定的時間間隔重復到達系統(tǒng)的任務稱之為周期任務。周期任務的每一次到達系統(tǒng)就稱為任務的一個任務實例。在仿真環(huán)節(jié)，可以通過仿真軟件提供的定時器來周期性的產(chǎn)生周期任務的觸發(fā)時間進行模擬仿真。偶發(fā)任務相對于非周期任務，它的觸發(fā)時間有一個最小時間間隔，但是沒有周期性。在仿真環(huán)節(jié)，可以通過仿真軟件提供的隨機數(shù)發(fā)生器和定時器產(chǎn)生最小間隔聯(lián)合產(chǎn)生偶發(fā)任務的觸發(fā)時間。按照任務在截止時間是否嚴格完成（超時完成），可以將任務分為：軟實時任務允許任務在截止時間內(nèi)未完成，但超時完成的任務。超時任務產(chǎn)生的結果會隨著超時時間的延長有效性逐步下降。準實時任務允許任務在截止時間內(nèi)為完成，通過超時完成的任務產(chǎn)生的結果將不再有效。軟強實時任務該類型任務一般是周期性任務才可以具備的。軟強實時任務要求周期任務的每次執(zhí)行實例按照某種規(guī)則可以超時運行，這種規(guī)則被稱為超時分布約束[31]。如不滿足該約束，就會使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。強實時任務在截止時間內(nèi)必須完成，是實時任務中要求最為嚴格的一類任務，超時完成就會導致致命性錯誤。針對于強實時任務的截止時間應該在最壞的條件下所產(chǎn)生的最大相應時間為依據(jù)來確定，避免由于特殊情況而導致的系統(tǒng)失效。當前環(huán)境下的嵌入式實時系統(tǒng)都是多任務系統(tǒng)，有的功能需要多個任務協(xié)作才能完成，有的功能只需要單個任務就可完成。實時任務間的相關性對于實時系統(tǒng)的設計至關重要。獨立性任務實時系統(tǒng)中某個功能只需要一個實時任務就可完成，不需要和其他任務之間進行交互。這類實時任務在實時系統(tǒng)的設計中最為容易，不要考慮任務間的通信問題。本文在仿真階段所涉及到的任務均為獨立任務，在驗證多任務調(diào)度算法的時候，只調(diào)度獨立性任務能直觀的顯現(xiàn)出調(diào)度算法的優(yōu)劣性。順序性任務實時系統(tǒng)中一個功能的實現(xiàn)往往需要多個任務的協(xié)作才能實現(xiàn)，這多個任務類似于流水線上的工序逐個順序執(zhí)行。互斥性任務由于任務間使用的資源具有互斥性而造成的，資源被一個任務占用后其他需要使用該資源的任務均不能獲取該資源進行操作，必須等到被目前占用資源的任務釋放該資源后其他任務才可獲取資源并操作。非搶占式任務實時系統(tǒng)中的任務調(diào)度大多都是基于優(yōu)先級進行調(diào)度的，非搶占式任務就是低優(yōu)先級任務在執(zhí)行過程中不得被高優(yōu)先級任務中斷，直到低優(yōu)先級任務執(zhí)行完或者被掛起釋放處理器后其他任務才能占有處理器。搶占式任務低優(yōu)先級任務在執(zhí)行過程中允許隨時被高優(yōu)先級任務中斷而掛起。實時系統(tǒng)為了實現(xiàn)硬實時任務的嚴格時限要求，實時操作系統(tǒng)一般采用搶占式優(yōu)先級調(diào)度算法，給硬實時任務賦予高優(yōu)先級來實現(xiàn)最快的任務響應。一般處理器系統(tǒng)中只有單個處理器時，如何在有限的資源下較好地進行系統(tǒng)中多任務的調(diào)度，是一個系統(tǒng)性能好壞的重要指標之一。而在多處理器系統(tǒng)中有多個處理器時，如何簡單且高效地把系統(tǒng)中的多任務合理的分配給各個處理器，從而發(fā)揮多處理器資源豐富、處理速度快的特點。調(diào)度策略就是一種解決在任務多，資源少的情況下合理利用資源并有效完成任務的一種方法。放在操作系統(tǒng)中就是定義了如何選擇將處于就緒狀態(tài)的任務提升為執(zhí)行狀態(tài)。操作系統(tǒng)就是用來實現(xiàn)在有限資源下調(diào)度多任務的功能，每個多任務操作系統(tǒng)都使用了一定的調(diào)度策略。而調(diào)度策略的好壞直接影響系統(tǒng)的實時性以及CPU的功耗。調(diào)度策略的主要指標有CPU利用率以及截至期限丟失率等。一個有效的任務調(diào)度應滿足如下幾個條件：一、每個處理器在任意時刻只分配最多一個任務。二、每個任務在任意時刻最多被分配給一個處理器。三、任務只有被釋放后才能被調(diào)度。四、基于所用的調(diào)度算法，分配給每個任務的處理器時間總和等于其最大或者實際處理器執(zhí)行時間。五、所有的優(yōu)先權和資源使用限制得到滿足。為了更好的實現(xiàn)嵌入式多任務的控制性能，保證更好的控制效果，本文對目前常