【正文】 轉(zhuǎn)換，即狀態(tài)控制之間的轉(zhuǎn)換。大多數(shù)角色的輸入與輸出是有序進(jìn)行的，即所有角色的輸出均依賴輸入值的變化。通過對上例的分析，時間多任務(wù)模型在仿真單處理器多任務(wù)調(diào)度模型中具有明顯優(yōu)勢，并且通過設(shè)置搶占模式參數(shù)就能對兩種不同的搶占方式進(jìn)行仿真。此時任務(wù)P2馬上搶占處理器進(jìn)行執(zhí)行。任務(wù)1表示為P1（，1），任務(wù)2表示為P2（2，4）。時間多任務(wù)模型中，每個角色都需要設(shè)定優(yōu)先級，通過對搶占式參數(shù)的布爾值設(shè)置，每個角色就按照搶占式或非搶占式進(jìn)行占用處理器資源執(zhí)行。嵌入式系統(tǒng)一個顯著的特點就是小而精。模式模型是一個當(dāng)系統(tǒng)在兩個對象間轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換這兩個簡單模型的工具，連續(xù)時間域與有限狀態(tài)機域內(nèi)部操作建立模式模型，這種模式模型經(jīng)常叫混合模型。這些外設(shè)的特性最好用微分方程建模的組件，然而這些組件與可以作為傳感器數(shù)據(jù)的控制器或接受器的電系統(tǒng)交互。所以初始事件和子事件之間就會形成一種類似樹形結(jié)構(gòu)的依賴關(guān)系。離散事件域使用一種全局事件隊列對[46]事件進(jìn)行存儲和管理的方法，可以實現(xiàn)一個比較復(fù)雜的模型仿真器。無論事件的發(fā)生是一個一個隨機觸發(fā)還是并發(fā)觸發(fā)，系統(tǒng)都必須在規(guī)定時間內(nèi)及時響應(yīng)。包括VHDL和Verilog 。由此，模型設(shè)計者可以在不同的域中實現(xiàn)對不同行為的分類建模，再通過執(zhí)行體的復(fù)合機制為模型整合提供實現(xiàn)手段。在Ptolemy II建模環(huán)境中。Ptolemy II中，根據(jù)不同計算域的形式進(jìn)行設(shè)計不同的調(diào)度策略[4243]。 Ptolemy II域的研究分析 Ptolemy II仿真軟件提供了各種類型的計算域[41]。Ptolemy II的基本組件是帶有端口參數(shù)的角色，角色是通過端口與參數(shù)定義的接口進(jìn)行通信。第三章 基于角色的Ptolemy II實時仿真平臺研究Ptolemy II仿真軟件是由美國加州伯克利大學(xué)電氣工程與計算機科學(xué)系研制開發(fā)的，該開發(fā)小組是一個非官方組織，屬于復(fù)雜嵌入式軟件系統(tǒng)中心的一部分。在實時操作系統(tǒng)中，實時任務(wù)的調(diào)度算法都是采用優(yōu)先級驅(qū)動。不適合混合任務(wù)集的調(diào)度，任務(wù)調(diào)度比較單一，不夠靈活處理。但這兩種算法僅僅適合非實時系統(tǒng)下任務(wù)模型簡單的情況，對于非實時系統(tǒng)下的非周期任務(wù)和實時系統(tǒng)就不適用。由于任務(wù)的優(yōu)先級所依賴的最早截止期這個參數(shù)是動態(tài)變化的，系統(tǒng)中所有任務(wù)越是運行到最后計算出的優(yōu)先級越高，這就會導(dǎo)致系統(tǒng)將花費大量的時間花費在頻繁的任務(wù)切換上，從而就降低了實時系統(tǒng)處理任務(wù)的效率。換句話說就是，假如期限最近者優(yōu)先調(diào)度算法在單處理器上對一個任務(wù)集不能合理調(diào)度，那么其他算法也不能夠?qū)υ撊蝿?wù)集合理調(diào)度。同靜態(tài)調(diào)度算法相反，實時操作系統(tǒng)分配給任務(wù)的優(yōu)先級依據(jù)某個動態(tài)參數(shù)算出優(yōu)先級后賦給任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。很顯然，單調(diào)速率任務(wù)調(diào)度算法對該類型的兩個任務(wù)無法調(diào)度。接下來的調(diào)度可以看到，任務(wù)P2在第二個任務(wù)周期內(nèi)按時完成了任務(wù)。任務(wù)P2是就立即搶占處理器進(jìn)行執(zhí)行，它需要執(zhí)行四個時間單位才能執(zhí)行完畢。為了便于分析和說明，下圖只選取任務(wù)P1和任務(wù)P2周期值的最小公倍數(shù)任務(wù)調(diào)度時長作為一幀的長度，調(diào)度情況如下： 任務(wù)P1和任務(wù)P2調(diào)度仿真圖，P1（2，4）是綠色調(diào)度線，它的優(yōu)先級高于P2（3，6）藍(lán)色調(diào)度線。假設(shè)現(xiàn)在某個單處理器系統(tǒng)中有兩個周期任務(wù)，分別用符號表示為P1(4，2)和P2(6，3)。處理器利用率一旦達(dá)到100％，就導(dǎo)致系統(tǒng)不能再添加新任務(wù)，產(chǎn)品無法升級等問題。當(dāng)系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)趨于無窮時。六、搶占式調(diào)度算法，優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)一定會被選擇執(zhí)行。二、忽略上下文切換時間。單調(diào)速率調(diào)度算法是由Liu和Layland在“Scheduling Algorithm for Multiprogramming in a Hard Real Time Environment”提出的。比如基于優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度算法中，在相同優(yōu)先級之間采用先來先服務(wù)調(diào)度算法。但是，假如最先到的任務(wù)是一個需要長響應(yīng)時間的任務(wù)，后面的任務(wù)均是響應(yīng)時間很短的任務(wù)。最先到達(dá)的任務(wù)最先占用處理器進(jìn)行執(zhí)行，不論該任務(wù)的執(zhí)行時間有多長，直到該任務(wù)執(zhí)行完畢或者掛起才釋放處理器。針對上述問題，顯而易見的解決方法就是：當(dāng)任務(wù)的一個時間片用完后，就對該任務(wù)的剩余執(zhí)行時間和時間片進(jìn)行比較，若任務(wù)剩余執(zhí)行時間大于等于t/2時，就調(diào)用下個任務(wù)執(zhí)行；若任務(wù)剩余執(zhí)行時間小于t/2時，就在該時間片后添加和任務(wù)剩余執(zhí)行時間等長的時間段將剩余的任務(wù)執(zhí)行完畢。時間片是分時系統(tǒng)中的一個重要的參數(shù)，該參數(shù)的確定一般依據(jù)系統(tǒng)的處理能力、系統(tǒng)對相應(yīng)時間的要求和就緒隊列中進(jìn)程數(shù)目三個方面進(jìn)行參考。該算法是最公平、最簡單容易實現(xiàn)的調(diào)度算法。四、基于所用的調(diào)度算法，分配給每個任務(wù)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。調(diào)度策略的主要指標(biāo)有CPU利用率以及截至期限丟失率等。調(diào)度策略就是一種解決在任務(wù)多，資源少的情況下合理利用資源并有效完成任務(wù)的一種方法。搶占式任務(wù)低優(yōu)先級任務(wù)在執(zhí)行過程中允許隨時被高優(yōu)先級任務(wù)中斷而掛起。本文在仿真階段所涉及到的任務(wù)均為獨立任務(wù)，在驗證多任務(wù)調(diào)度算法的時候，只調(diào)度獨立性任務(wù)能直觀的顯現(xiàn)出調(diào)度算法的優(yōu)劣性。當(dāng)前環(huán)境下的嵌入式實時系統(tǒng)都是多任務(wù)系統(tǒng)，有的功能需要多個任務(wù)協(xié)作才能完成，有的功能只需要單個任務(wù)就可完成。軟強實時任務(wù)要求周期任務(wù)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]。按照任務(wù)在截止時間是否嚴(yán)格完成（超時完成），可以將任務(wù)分為：軟實時任務(wù)允許任務(wù)在截止時間內(nèi)未完成，但超時完成的任務(wù)。周期任務(wù)的每一次到達(dá)系統(tǒng)就稱為任務(wù)的一個任務(wù)實例。在實時系統(tǒng)中，按照任務(wù)的觸發(fā)時間特點將任務(wù)劃分為如下：非周期任務(wù)隨機到達(dá)系統(tǒng)的任務(wù)稱之為非周期任務(wù)。比如系統(tǒng)環(huán)境的動態(tài)變化、應(yīng)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。早期的實時系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)如單板機和簡單的嵌入式實時系統(tǒng)。比如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、各種外部環(huán)境的傳感器等。但是除了時間上的可靠，因受外界復(fù)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。實時系統(tǒng)應(yīng)該對任務(wù)的進(jìn)行時限要求的判斷，確定是否可以滿足時限要求。比如汽車的安全氣囊、航天工業(yè)中的對接技術(shù)和核控制等領(lǐng)域均屬于“硬實時”系統(tǒng)。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)。具體的衡量辦法是：系統(tǒng)中所有任務(wù)的最壞執(zhí)行時間與對應(yīng)任務(wù)周期的比值之和就是處理器利用率。截止期錯失率：是由系統(tǒng)中所有任務(wù)在一段時間內(nèi)未在截止期完成的總數(shù)和系統(tǒng)任務(wù)總數(shù)之間的一種比率。絕對截止期：它等于作業(yè)的釋放時間加上其相對截止期。截止期是一個時間點。當(dāng)任務(wù)在執(zhí)行過程中，由于等待資源而被掛起，從任務(wù)的釋放時間到任務(wù)被掛起這段時間只是響應(yīng)時間的一部分，因為任務(wù)并未完成所有的任務(wù)而放棄了CPU。運行態(tài)：任務(wù)獲取CPU資源進(jìn)行執(zhí)行。以下凡是沒有特別說明，所提到的任務(wù)均為周期性任務(wù)。與之對應(yīng)的是非周期任務(wù)。任務(wù)：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。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。用戶經(jīng)常反映手機反應(yīng)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。這兩個要素必須同時滿足，缺一不可，才能成為“結(jié)果”正確。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)。提出周期性任務(wù)優(yōu)先級轉(zhuǎn)化調(diào)度算法的適用條件，并通過仿真來驗證周期性任務(wù)優(yōu)先級轉(zhuǎn)化的可行性。本文的重點是學(xué)習(xí)Ptolemy II仿真軟件，分析當(dāng)前實時系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度算法，提出一種改進(jìn)的多任務(wù)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(jìn)行仿真驗證。但是本項目是一個標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)，具有異構(gòu)性和層次性[29]，因此上它更適合于整個項目的仿真。嵌入式領(lǐng)域的硬件信號特點是多種結(jié)構(gòu)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(jìn)行設(shè)計，下層給上層提供標(biāo)準(zhǔn)信號，對上層屏蔽底層操作。所以需要一個能夠模擬單處理器多任務(wù)環(huán)境的仿真軟件，以便對所提出的任務(wù)調(diào)度算法進(jìn)行仿真驗證。仿真軟件可以模擬真實環(huán)境，使得使用者在不具備真實環(huán)境或者不可能具備真實環(huán)境的條件下在模擬軟件上進(jìn)行試驗。由于本文對于優(yōu)先級周期性互換尚處在研究階段，其可行性采用Ptolemy II仿真驗證的方法。主流靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法有單調(diào)速率任務(wù)調(diào)度算法，截止期單調(diào)調(diào)度算法等，截止期單調(diào)算法已被證明是靜態(tài)最優(yōu)算法。最早截止期優(yōu)先調(diào)度算法是一種截止期驅(qū)動的動態(tài)可搶占優(yōu)先級實時調(diào)度算法。截止期單調(diào)調(diào)度算法是在單調(diào)速率調(diào)度算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的基于優(yōu)先級多任務(wù)調(diào)度算法。這種算法在表面上看起來是最公平的算法，可是它不利于重要任務(wù)的優(yōu)先執(zhí)行。另一方面，特別在便攜式電子設(shè)備中使用的移動電源，所以要求微處理器功耗極低。該特點需要硬件有較強的存儲區(qū)保護(hù)功能，便于軟件模塊之間正常工作、互不干擾，也利于軟件本身的測試。目前在嵌入式實時系統(tǒng)中主要采用優(yōu)先級驅(qū)動調(diào)度算法，這類算法分為靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。為了適應(yīng)嵌入式環(huán)境，WinCE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化設(shè)計，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行裁剪。uC/OS在平臺間移植有很明顯的優(yōu)勢，只需將與處理器有關(guān)的匯編代碼進(jìn)行改寫，就基本完成移植工作[2122]。他將開發(fā)出來的uC/OS源碼公開，揭開了實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核運作機制。該特點決定了RTLinux的開發(fā)方法簡單易學(xué)，并有大量的現(xiàn)有開發(fā)經(jīng)驗可供借鑒。QNX嵌入式實時操作系統(tǒng)應(yīng)用最為成功的地方在于車載多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)的高端路由。QNX是一種遵從POSIX規(guī)范的類UNIX操作系統(tǒng)。VxWorks最顯著的特點：生成代碼容量小，內(nèi)核易裁剪，實時性強，特別適合嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)的要求。作為學(xué)習(xí)人員，可以免費在uC/OS官網(wǎng)上獲得當(dāng)前最新uC/OSIII源碼，并有針對多個平臺的一致用例供學(xué)習(xí)參考。雖然需要收費，但是可以獲得全面專業(yè)的技術(shù)支持，這在產(chǎn)品開發(fā)中至關(guān)重要。這就需要一種機制將系統(tǒng)中的多個任務(wù)按照既定的調(diào)度方法來占有處理器資源，使得在有限的資源條件下盡可能多的及時處理多個任務(wù)。軟件部分的核心是實時操作系統(tǒng)（主要是內(nèi)核）和服務(wù)于實時任務(wù)的應(yīng)用程序；硬件包括微處理器、存儲器及I/O端口和外設(shè)器件等。主要是體現(xiàn)在實時系統(tǒng)的核心問題上：多任務(wù)調(diào)度算法。至于“及時”如何界定，這就取決于外部任務(wù)對系統(tǒng)的要求，是實時系統(tǒng)中一項最重要的衡量系統(tǒng)實時性的指標(biāo)。據(jù)計算，此刻之后，駕車者才會撞上氣囊。在以上列舉出來的系統(tǒng)中像手機、智能電視、機頂盒之類的嵌入式系統(tǒng)，它們在使用過程中，對于任務(wù)觸發(fā)的響應(yīng)沒有嚴(yán)格的時限要求，因而它們們屬于嵌入式非實時系統(tǒng)；而對于導(dǎo)彈、火箭之類的嵌入式系統(tǒng)就對于任務(wù)觸發(fā)的響應(yīng)有嚴(yán)格的時限要求，它們則屬于嵌入式實時系統(tǒng)。并模擬實際控制系統(tǒng)，通過調(diào)度三個PID控制器對三個被控對象的控制，繪制出各任務(wù)的響應(yīng)曲線以驗證優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法的合理性和優(yōu)勢。本文在研究和分析當(dāng)前常用多任務(wù)調(diào)度算法后，提出優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法。高優(yōu)先級任務(wù)可以隨時剝奪低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行時間，以滿足高優(yōu)先級嚴(yán)格的時限要求。目前，針對多任務(wù)調(diào)度的問題已經(jīng)有很多成熟的算法。碩士學(xué)位論文優(yōu)先級周期性互換的實時多任務(wù)調(diào)度方法研究優(yōu)先級周期性互換的實時多任務(wù)調(diào)度方法研究摘要近年來，隨著數(shù)字化和智能化程度的提高，微處理器被引進(jìn)到電子領(lǐng)域的各個行業(yè)。這就引進(jìn)了單個微處理器對多任務(wù)的調(diào)度問題。實時操作系統(tǒng)中所有的實時任務(wù)的調(diào)度都是基于搶占式優(yōu)先級驅(qū)動的。如何解決該問題，是本文重點研究的對象。對于優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的驗證，本文選用Ptolemy II仿真軟件進(jìn)行驗證。嵌入式系統(tǒng)給人們生活帶來了很大的方便，小到手機、智能電視、機頂盒等，大到汽車、飛機、火車、導(dǎo)彈、火箭等等，都嵌入了微處理器來實現(xiàn)智能控制或者調(diào)節(jié)。由于作用時間太短，它對嵌入式實時系統(tǒng)的實時性要求就更為明顯。實時系統(tǒng)更注重“實時”概念，實質(zhì)上就是將提交到系統(tǒng)內(nèi)部的信息及時進(jìn)行處理并迅速輸出結(jié)果[25]。實時概念自提出以來，實時技術(shù)隨著嵌入式實時系統(tǒng)向安防系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)等方向的發(fā)展，其自身的研究和應(yīng)用取得很大的突破和發(fā)展。作為一個具有完整功能的系統(tǒng)來看，一般分為軟件和硬件兩部分（）。通常情況下，實時系統(tǒng)中的任務(wù)數(shù)總是大于硬件處理器的數(shù)目。需要注意的是，以上這五類主流嵌入式實時操作系統(tǒng)都需要付費才可以投入到產(chǎn)品中進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。如果需要專家的協(xié)助，同樣是要花費巨額資金。有一點需要指出的是，美國在1996年12月4日發(fā)射升空，于1997年7月4日登陸到火星表面的“索杰納”機器人車輛的多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)使用的就是VxWorks操作系統(tǒng)[1819]。由加拿大Quantum Software Systems（QNX）公司的創(chuàng)始人Gordon Bell和Dan Dodge在上世紀(jì)八十年代編寫的，主要市場就是嵌入式行業(yè)。這個特點也被稱之為微內(nèi)核操作系統(tǒng)。顯然，RTLinux操作系統(tǒng)可以充分利用當(dāng)下普通Linux平臺上的資源。uC/OSIII實時操作系統(tǒng)uC/OSIII是uC/OS操作系統(tǒng)的第三版，它是由Jean 。它的大部分源碼遵守ANSIC標(biāo)準(zhǔn)，并且針對不同行業(yè)的C代碼編寫規(guī)范也在兼容部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如汽車行業(yè)MISRA C針對C代碼的編寫規(guī)范。微軟公司專門為智能嵌入式設(shè)備而開發(fā)的一款實時操作系統(tǒng)[23]，是微軟在嵌入式平臺的基礎(chǔ)。嵌入式實時系統(tǒng)的關(guān)鍵在于多任務(wù)調(diào)度算法，因為不同的調(diào)度算法會對實時性造成一定影響。便于嵌入式系統(tǒng)對實時操作系統(tǒng)的裁剪，實時操作系統(tǒng)已將軟件構(gòu)成特別是驅(qū)動和進(jìn)程間通信機制高度模塊化。微控制器的最大特點是單片化，高度集成了外設(shè)模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性。下面主要介紹對于周期任務(wù)調(diào)度算法：時間片輪轉(zhuǎn)法是分時系統(tǒng)中一種常用任務(wù)調(diào)度策略，它將系統(tǒng)時間劃分成等長多個時間片段，給每個任務(wù)分配一小片系統(tǒng)時間逐一執(zhí)行。如果采用單調(diào)速率多任務(wù)調(diào)度算法，需要根據(jù)任務(wù)集的特性判定可調(diào)度性。和單調(diào)速率調(diào)度算法一樣，它也對被調(diào)度