【正文】 個子模塊在更高一級的工程中運行。圖中SDFDirector是域管理器，域模型是通過域管理器來管理模型中執(zhí)行體間的交互機制，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)行為的模型化控制。一個事件包括數(shù)值與時間標(biāo)志兩個參數(shù)。離散事件域中，事件具有隨機性，事件發(fā)生的時間是無規(guī)律的。離散事件域中，由于必須記錄時間的觸發(fā)事件和事件的響應(yīng)時間，所以它有自身的時間屬性。輸入到離散事件模型中的初始事件，需要在各級執(zhí)行體上完成不同的處理流程，最終將正確結(jié)果輸出后，并予以銷毀。一般不同的初始事件與其自身產(chǎn)生的子事件之間沒有關(guān)聯(lián)性，稱之為獨立事件[48]。連續(xù)時間域的設(shè)計應(yīng)用于與其他Ptolemy II領(lǐng)域的內(nèi)部操作，例如離散時間域，以解決混合信號的建模。(b)（a）模型的仿真結(jié)果。系統(tǒng)在同時刻受到多個任務(wù)觸發(fā)時，系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度器就需要為每個任務(wù)進行決策調(diào)度，并分配資源準(zhǔn)備執(zhí)行。時間多任務(wù)模型還能很好的支持并發(fā)實時軟件的設(shè)計。任務(wù)P1的優(yōu)先級高于任務(wù)P2的優(yōu)先級，并且系統(tǒng)的調(diào)度方式是基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度。所以，任務(wù)P1馬上迫使任務(wù)P2釋放處理器處于就緒態(tài)，任務(wù)P1開始執(zhí)行。當(dāng)離散時間域中有多個異構(gòu)模型時，不同的仿真模型采用不同的標(biāo)記時間間隔。與其他所有模型不同的是，有限狀態(tài)機模型具有嚴(yán)格的順序。有限狀態(tài)機模型很好描述了嵌入式系統(tǒng)中的控制邏輯,尤其是那些安全性為關(guān)鍵的系統(tǒng)。首先,在基本層中,它并不如其他計算模型更容易表達(dá)。另一個主要缺點是,狀態(tài)的數(shù)量可能會很多,甚至是在面對只有稍微復(fù)雜一點的系統(tǒng)。過程網(wǎng)絡(luò)域模式能夠良好地進行信號處理。而控制邏輯是由路徑選擇的數(shù)據(jù)值決定的。它經(jīng)常應(yīng)用在具有固定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法設(shè)計實現(xiàn)中。GiottoGiotto[49]是一種與平臺無關(guān)且在特定控制領(lǐng)域應(yīng)用中具有高水平的編程語言。它的優(yōu)點是它與具體的執(zhí)行平臺無關(guān)，它能與任何實時操作系統(tǒng)、調(diào)度運算法則及實時通信協(xié)議都兼容。每一時刻，程序都執(zhí)行在特定的模式P。這種模式可以有效地處理并行模式與無規(guī)則事件。因為對同步要求的嚴(yán)格，以安全作為關(guān)鍵的實時性應(yīng)用得到了很好的匹配。該接口抽象了內(nèi)部狀態(tài)和角色執(zhí)行以及角色如何和其他環(huán)境發(fā)生交互的約束。端口和參數(shù)語義有很多良好的特性：[51]一個角色的接口或者是它的端口和參數(shù)，是定義非常清晰的部分。角色也可以從以下幾個方面被看成是抽象的系統(tǒng)組件：角色有定義好的接口，通過給定的端口和參數(shù)可以和模型中的其他角色進行交互，其他形式的交互是不允許的。例如一個角色可以表示從布爾值或整數(shù)值中的某兩位進行搜索來滿足任一的邏輯表達(dá)式。本節(jié)主要介紹有關(guān)本次仿真用到的相關(guān)actor的用法。函數(shù)發(fā)生器的選擇主要是以系統(tǒng)的特點以及輸入信號類型的實際情況來決定。例如，室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以及工作突然改變或突然受到恒定輸入作用的控制系統(tǒng)，都可以采用階躍函數(shù)作為典型輸入信號；跟蹤通信衛(wèi)星的天線控制系統(tǒng)，以及輸入信號隨時間逐漸變化的控制系統(tǒng)，斜坡函數(shù)比較適合這類系統(tǒng)的典型輸入；加速度函數(shù)可用來作為宇宙飛船控制系統(tǒng)的典型輸入；當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入信號是沖擊輸入量時，采用脈沖函數(shù)最為合適；當(dāng)系統(tǒng)輸入作用具有周期性變化時，可選擇正弦函數(shù)作為典型輸入。當(dāng)在觸發(fā)端進行觸發(fā)時，Const將在輸出端輸出value值。二、示波器示波器用來查看系統(tǒng)輸出信號的波形，可以查看信號的幅值、周期、信號類型等信息。在嵌入式系統(tǒng)中，一般的控制器都是由微處理器來擔(dān)任并完成任務(wù)處理。PeriodicSampler，位置：；主要參數(shù)：samplePeriod；端口：1個輸入端口，1個輸出端口。因為在每一個采樣區(qū)間內(nèi)連續(xù)的階梯信號的值均為常值，亦即其一階導(dǎo)數(shù)為零，故稱為零階保持器。將輸入端口的離散信號保持到下一個離散信號，將結(jié)果從輸出端口輸出。用求和端口的和減去求差端口的差的結(jié)果從輸出端口輸出。PID控制器就是利用反饋量與給定量的差值進行比例、積分和微分的綜合控制。七、SchedulePlotterSchedulePlotter，位置：；主要參數(shù)：NONE；端口：NONE。對于軟件自身提供的工程范例，用戶可以參考并直接應(yīng)用，有利于Ptolemy II軟件的熟悉和工程開發(fā)。Directors存放的是各種不同運算域的調(diào)度器。MoreLibraries存放的是擴展庫actor。 II創(chuàng)建用戶庫組建建立工程區(qū)在建立工程時，首先選擇待仿真系統(tǒng)的運算域。整個系統(tǒng)框架搭建后以后，剩下的就是對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。整個設(shè)計流程和一般的仿真軟件類似，首先建立工程，再將所提供的組件拖到工程區(qū)，進行參數(shù)調(diào)整和信號連接，最后進行仿真。優(yōu)先級周期性互換的思想來源于非實時系統(tǒng)的時間片輪轉(zhuǎn)法調(diào)度任務(wù)算法。優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法是在靜態(tài)搶占式優(yōu)先級調(diào)度算法上，周期性的互換較高優(yōu)先級任務(wù)和較低優(yōu)先級任務(wù)之間的優(yōu)先級級別，使的原較低優(yōu)先級任務(wù)在一段時間內(nèi)變?yōu)檩^高優(yōu)先級任務(wù)，原較高優(yōu)先級任務(wù)則在該段時間內(nèi)變?yōu)檩^低優(yōu)先級任務(wù)。使用優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的任務(wù)可調(diào)度條件是實時系統(tǒng)中所有任務(wù)是可以調(diào)度（不論采取何種靜態(tài)優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算法）。所以，優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法不再分析系統(tǒng)所有任務(wù)調(diào)度的可行性，而是在可調(diào)度基礎(chǔ)上來分析使用優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的條件。當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)與低優(yōu)先級任務(wù)之間有其他任務(wù)時：對于比任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(wù)，調(diào)換任務(wù)與任務(wù)之間的優(yōu)先級對其不產(chǎn)生任何影響；對于介于任務(wù)和任務(wù)之間的任務(wù)，由于，因而對于介于任務(wù)和任務(wù)之間的任務(wù)的總延遲時間減小了；對于比任務(wù)優(yōu)先級更低的任務(wù)，任務(wù)和任務(wù)的執(zhí)行時間和沒有發(fā)生變化，因而預(yù)留給其他任務(wù)的執(zhí)行時間也沒有發(fā)生變化，所以不產(chǎn)生影響。由于是靜態(tài)優(yōu)先級搶占式任務(wù)調(diào)度算法，使得任務(wù)Task3大幅度延遲。，Continuous Director是連續(xù)域調(diào)度器；ContinuousClock是連續(xù)域的時鐘信號，在此用來產(chǎn)生周期信號以實現(xiàn)優(yōu)先級的周期性互換；TimedPlotter用來繪制輸入信號的波形圖。任務(wù)Task2的最大相對截止時間是8，任務(wù)Task3的最大相對截止時間是12。嵌入式系統(tǒng)中的被控對象所對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型不易建立，這也是控制系統(tǒng)中普遍存在的問題，因而采用傳統(tǒng)的PID控制策略。為了證明周期性優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算的合理性，在仿真模型中對被控對象不進行建模和數(shù)學(xué)抽象，采用現(xiàn)成的數(shù)學(xué)模型進行仿真。由圖可以看出，PID3由于優(yōu)先級低，執(zhí)行延遲時間長，導(dǎo)致Controller3控制環(huán)發(fā)散。由于優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法其實是一種實時多任務(wù)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的改進算法，它是依賴于其他靜態(tài)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上而應(yīng)用的。第三步：分析任務(wù)調(diào)度圖中某個需要調(diào)整的低優(yōu)先級任務(wù)的時延特點。通過模擬仿真，查看整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性能是否有顯著下降。Ptolemy II仿真軟件在仿真單處理器多任務(wù)環(huán)境中使用方便，十分有利于在單處理器多任務(wù)環(huán)境中仿真各種調(diào)度算法的可行性。實時系統(tǒng)為了滿足實時任務(wù)嚴(yán)格的時間要求，均采用優(yōu)先級驅(qū)動多任務(wù)調(diào)度算法。任務(wù)重要程度越高，賦予的優(yōu)先級就越高，執(zhí)行就越及時。優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法簡單，結(jié)合了靜態(tài)優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算法易于實現(xiàn)，節(jié)省資源和動態(tài)優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算法的靈活性的優(yōu)勢，解決了搶占式優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算法對于低優(yōu)先級任務(wù)的大延遲弊端，提高了低優(yōu)先級任務(wù)響應(yīng)的實時性。Ptolemy II是一款非常適合于仿真模擬嵌入式系統(tǒng)異構(gòu)特點的仿真軟件。從結(jié)果可以看到，優(yōu)先級最低的任務(wù)在未使用優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法之前仿真曲線是發(fā)散的、不可控的。存在的問題，由于優(yōu)先級周期。為了改善最低優(yōu)先級任務(wù)的系統(tǒng)特性，采用優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法對低優(yōu)先級任務(wù)進行優(yōu)先級周期性調(diào)整，以減少系統(tǒng)對低優(yōu)先級任務(wù)的響應(yīng)時間。本文在Ptolemy II的基礎(chǔ)上提出了優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法，進行了初步的仿真和驗證，得到了期望的效果。對時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法的基本調(diào)度思想和搶占式優(yōu)先級多任務(wù)調(diào)度算法的結(jié)合，通過自己的摸索和仿真得出了優(yōu)先級周期性互換多任務(wù)調(diào)度算法。在實時系統(tǒng)中不重要的任務(wù)也需要按時完成，否則它就沒有存在的必要和意義。為了實現(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)能盡快被系統(tǒng)響應(yīng)，搶占式任務(wù)調(diào)度可以很好的滿足這個要求。第五章 總結(jié)與展望 總結(jié)嵌入式實時系統(tǒng)中的軟件層核心是實時操作系統(tǒng)，而實時操作系統(tǒng)的核心又是多任務(wù)調(diào)度算法。第五步：編寫優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的代碼。再分析高優(yōu)先級任務(wù)中哪個任務(wù)的截止期相較于執(zhí)行時間長。第二步：得出當(dāng)前任務(wù)集的任務(wù)調(diào)度仿真圖。 任務(wù)控制曲線一 任務(wù)控制曲線二 任務(wù)控制曲線三由上可以看到，采用優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法可以明顯改善控制環(huán)性能，使得低優(yōu)先級任務(wù)可以及時得到處理，減小執(zhí)行延遲時間，實現(xiàn)低優(yōu)先級任務(wù)可控。 PrioritySche組件 TM_CPU_PID組件Const是系統(tǒng)的給定值；AddSubtract是進行輸出與輸入比較；Sampler是采樣器；ZeroOr離散事件rHold是零階保持器；Plant是被控對象所對應(yīng)的傳遞函數(shù)。在優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的驗證中，控制器采用PID控制策略進行仿真。綜上所述，優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法能較好的改善低優(yōu)先級任務(wù)的延遲時間。 周期性方波仿真結(jié)果，任務(wù)Task3在時刻20i+10（i=0,1,2…）繼續(xù)執(zhí)行，直到剩余執(zhí)行任務(wù)完成。，任務(wù)Task3在20i+10（i=0，1，2…）時刻處若能提高任務(wù)Task3的優(yōu)先級別，連續(xù)對任務(wù)Task3進行執(zhí)行，那就能大大縮短任務(wù)Task3的執(zhí)行時間，以保證在相對截止期內(nèi)完成任務(wù)執(zhí)行。下圖是三個任務(wù)調(diào)度仿真圖：，任務(wù)調(diào)度策略是基于靜態(tài)優(yōu)先級搶占式進行任務(wù)調(diào)度。在實時系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度中，使用優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法條件如下：設(shè)：，高優(yōu)先級任務(wù)，低優(yōu)先級任務(wù)；高低優(yōu)先級任務(wù)互換條件：。為了方便對周期任務(wù)調(diào)度的描述，采用如下符號表示：實時系統(tǒng)任務(wù)集：周期：相位：執(zhí)行時間：任務(wù)優(yōu)先級：（值越小，優(yōu)先級越高）相對截止時間：任務(wù)表示：剩余執(zhí)行時間：CPU利用率：無論采取何種任務(wù)調(diào)度方式，所有任務(wù)可調(diào)度的必要條件是：。該方法有靜態(tài)優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算法的系統(tǒng)開銷小，并兼顧了動態(tài)優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度的靈活性兩種優(yōu)點。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法：將系統(tǒng)時間平均分成等長時間片段，每個就緒態(tài)任務(wù)的執(zhí)行時間就是這一小片，等時間片用完或者任務(wù)在這一小片時間內(nèi)執(zhí)行完畢或是掛起，操作系統(tǒng)就將CPU等資源分配給下一個任務(wù)，直到所有就緒態(tài)任務(wù)都被執(zhí)行完一遍后，操作系統(tǒng)再把資源分配給最早未執(zhí)行完的就緒態(tài)任務(wù)。當(dāng)涉及到actor和director的功能和參數(shù)時再進行相關(guān)文檔的學(xué)習(xí)。設(shè)置方法一樣，選中點擊右鍵。接著在Actors庫中選擇對應(yīng)于目標(biāo)系統(tǒng)的仿真actor，直接拖到工程區(qū)即可。UserLibrary存放的用戶自定義的actor或CompositeActor。Actors存放的是常用仿真actor。 II新建工程選擇Graph Editor建立仿真工程，操作界面如下所示： Ptolemy II工程界面功能區(qū)的劃分如下圖所示： Ptolemy II工程功能區(qū)Actor庫簡介Utilities庫存放的主要是不同類型的Parameters和CompositeActor。 Ptolemy II使用簡介Ptolemy II仿真軟件的使用方法與Matlab的Simulink使用方法相似。PID，位置：；主要參數(shù)：Kp，Ki，Kd；端口：2個輸入端口(1個信號輸入端口，1個復(fù)位信號輸入端口)，1個輸出端口。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。在控制系統(tǒng)中用做將反饋回來的值與給定值進行求誤差值。進行系統(tǒng)仿真時，離散信號的連續(xù)化就由零階保持器來實現(xiàn)模擬仿真。四、零階保持器與采樣保持器相反，零階保持器是將離散信號近似連續(xù)化。在實際處理系統(tǒng)中，采樣器是由A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。它將輸入信號以仿真時間為x軸，信號幅值為y軸繪制在直角坐標(biāo)系中。DiscreteClock，位置：；主要參數(shù)：period，offsets，values；端口：4個輸入(觸發(fā)、周期、開始、停止)端口，1個輸出端口。通常以單位階躍函數(shù)作為典型輸入作用，則可在一個統(tǒng)一的基礎(chǔ)上對各種控制系統(tǒng)的特性進行比較和研究?？刂葡到y(tǒng)中常用的典型輸入信號有：單位階躍函數(shù)、單位斜坡（速度）函數(shù)、單位加速度（拋物線）函數(shù)、單位脈沖函數(shù)和正弦函數(shù)。一、函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器是用來產(chǎn)生特定函數(shù)波形的裝置。角色是可執(zhí)行行為的定義。如一個組件能給出新的參數(shù)值或連接不通系列的通道。這些模型在外表上和其他模型幾乎沒有區(qū)別。一般情況下參數(shù)是角色預(yù)先配置的一部分，在模型執(zhí)行時不會改變。此外，在大多數(shù)實現(xiàn)過程中，由于在每一時刻都需要尋求一個全局性的固定點，模塊化程度也就變得相對折衷。同步/反應(yīng)實現(xiàn)了協(xié)議的產(chǎn)量預(yù)測，與確定性的訪問管理。同步的/反應(yīng)的域在同步/反應(yīng)計算模型中，組件之間各部分的連接所代表的是在全局時鐘控制下的數(shù)據(jù)值，這也是時間觸發(fā)的方式。Giotto的兩個核心組成部分[50]是周期性的任務(wù)調(diào)用和模式轉(zhuǎn)換。Giotto基于時間觸發(fā)編程，從傳感器到CPU及CPU到執(zhí)行器之間的通信由全局時鐘觸發(fā)，使其具有可預(yù)報性。數(shù)據(jù)流模型常應(yīng)用于信號處理，同步數(shù)據(jù)流是一種具有非常有用的特性約束的特殊情況，死鎖和邊界是可決定的。角色之間的連接代表了數(shù)據(jù)從發(fā)生器到使用者之間的流動。它可以有效地應(yīng)用到硬件和軟件中，因此能使得執(zhí)行選擇權(quán)公開。過程網(wǎng)絡(luò)域一種常見的處理并行軟件的方式是當(dāng)組件是進程或線程的情況下，通信由異步緩沖，信息傳遞來進行的。不過,這個缺點是可以接受的,因為有根據(jù)的分析已經(jīng)成為可能。此外, 有限狀態(tài)機模型很容易映射到硬件或軟件中去。狀態(tài)之間的連接代表著