【正文】 特別是在時間多任務(wù)調(diào)度模型中，它提供了模擬單處理器多任務(wù)調(diào)度算法所需要的一切環(huán)境，使得使用者能將所有的精力放在調(diào)度算法的研究上而非仿真軟件的學習和參數(shù)設(shè)置上。便于修改調(diào)度算法，減小開發(fā)成本和時間。 在優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度仿真圖中可以看出，PID3的任務(wù)調(diào)度波形明顯減少了任務(wù)執(zhí)行時間的延遲，并由Controller3波形圖看到該系統(tǒng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定、可控。TMContr組建中的角色組合和圖中相一致。優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法不解決多任務(wù)的可調(diào)度性，不給各任務(wù)計算優(yōu)先級?？梢酝ㄟ^使用Utilities庫中的參數(shù)actor，也可以在系統(tǒng)或者actor的Configuration中設(shè)置。Ptolemy II仿真軟件的工程建立可以通過下圖所示方式進行操作。五、加法器加法器用來求和或求差值。TimedPlotter，位置：；主要參數(shù)：NONE；端口：1個輸入端口。其它actor用法及參數(shù)、端口請參照相關(guān)文獻。接口包括了代表角色的通信點端口和用于配置角色操作的參數(shù)?；?Giotto的嵌入式控制軟件設(shè)計將功能程序從特定平臺分離，將時限從功能中分離，其與平臺無關(guān)性使得它有更好的實時性、可靠性及可復用性，更適合嵌入式實時分布系統(tǒng)。它具有較弱的耦合性，因此比較容易結(jié)合或分布。模型中的組件被稱為狀態(tài)或模態(tài)，且在某一時刻確定的狀態(tài)是被激活的。，假設(shè)在某個嵌入式系統(tǒng)中具有兩個獨立運行的周期任務(wù)用參數(shù)P(E，T)來表示。嵌入式系統(tǒng)通常包括例如機械組件，模擬電路和微波電路。這種計算模型在具體硬件和模擬通信系統(tǒng)上應(yīng)用廣泛，并已實現(xiàn)了大量仿真環(huán)境，仿真語言和硬件描述語言。Ptolemy II仿真軟件不但可以進行嵌入式異構(gòu)系統(tǒng)的建模，還能通過部分求值機制[38]和代碼生成助手機制[39]可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)模型到特定平臺相關(guān)目標代碼的自動生成[40]。如果系統(tǒng)中包含了非周期任務(wù)，單調(diào)速率任務(wù)調(diào)度算法只能將其轉(zhuǎn)換為周期任務(wù)進行調(diào)度。 期限最近者優(yōu)先任務(wù)調(diào)度算法是基于動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。 II仿真軟件對任務(wù)P1和任務(wù)P2進行調(diào)度分析的執(zhí)行情況。五、任務(wù)截止期限都在它們周期的結(jié)束點上。先來先服務(wù)任務(wù)調(diào)度算法存在以下問題：從形式上看，它的調(diào)度策略符合一般的排隊模型，比較公平。時間片輪轉(zhuǎn)法是一種主要用于分時系統(tǒng)中的多任務(wù)調(diào)度算法，常見于服務(wù)器中的多任務(wù)調(diào)度算法。非搶占式任務(wù)實時系統(tǒng)中的任務(wù)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(wù)就是低優(yōu)先級任務(wù)在執(zhí)行過程中不得被高優(yōu)先級任務(wù)中斷，直到低優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行完或者被掛起釋放處理器后其他任務(wù)才能占有處理器。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(wù)的觸發(fā)時間。以上四點特性，屬于早期簡單實時系統(tǒng)的特點。“硬實時”系統(tǒng)對時效性的要求是最為苛刻的，所有的實時任務(wù)必須在截止時間以內(nèi)完成，以免發(fā)生關(guān)系到人身傷害的致命性后果。相對截止期：作業(yè)的響應(yīng)時間所允許的最大值稱為該作業(yè)的相對截止期。為了便于驗證新提出的任務(wù)調(diào)度算法，本文選取的任務(wù)均為周期性任務(wù)。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。一、國家自然科學基金項目“實時領(lǐng)域交互行為模型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wù)調(diào)度策略。仿真軟件是從上世紀五十年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的。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。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。顯然，RTLinux操作系統(tǒng)可以充分利用當下普通Linux平臺上的資源。如果需要專家的協(xié)助，同樣是要花費巨額資金。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。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仿真軟件進行驗證。碩士學位論文優(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，微處理器被引進到電子領(lǐng)域的各個行業(yè)。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。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。作為學習人員，可以免費在uC/OS官網(wǎng)上獲得當前最新uC/OSIII源碼，并有針對多個平臺的一致用例供學習參考。該特點決定了RTLinux的開發(fā)方法簡單易學，并有大量的現(xiàn)有開發(fā)經(jīng)驗可供借鑒。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。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。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行試驗。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(wù)調(diào)度算法，提出一種改進的多任務(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對該方法進行仿真驗證。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。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)。絕對截止期：它等于作業(yè)的釋放時間加上其相對截止期。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)。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)。按照任務(wù)在截止時間是否嚴格完成（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)。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。該算法是最公平、最簡單容易實現(xiàn)的調(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)。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。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）藍色調(diào)度線。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)進行調(diào)度。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。 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]。包括VHDL和Verilog 。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。任務(wù)1表示為P1（，1），任務(wù)2表示為P2（2，4）。狀態(tài)之間的連接代表著轉(zhuǎn)換，即狀態(tài)控制之間的轉(zhuǎn)換。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。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。一般情況下參數(shù)是角色預先配置的一部分，在模型執(zhí)行時不會改變。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。它將輸入信號以仿真時間為x軸，信號幅值為y軸繪制在直角坐標系中。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。 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。設(shè)置方法一樣，選中點擊右鍵。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：。 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)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。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。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。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。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。由圖可以看出，PID3由于優(yōu)先級低，執(zhí)行延遲時間長，導致Controller3控制環(huán)發(fā)散。，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。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）。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。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)。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。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。本節(jié)主要介紹有關(guān)本次仿真用到的相關(guān)actor的用法。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。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。過程網(wǎng)絡(luò)域模式能夠良好地進行信號處理。與其他所有模型不同的是，有限狀態(tài)機模型具有嚴格的順序。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。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]。一個事件包括數(shù)值與時間標志兩個參數(shù)。不同的計算模型如連續(xù)域、時間多任務(wù)域、連續(xù)域等等反映了域內(nèi)系統(tǒng)不同的“動態(tài)”行為。但是。但是它的優(yōu)勢是很明顯的，比如系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度開銷小，針對非周期任務(wù)易于擴展調(diào)度，具有在系統(tǒng)瞬間過載情況下仍然保持穩(wěn)定等優(yōu)點，在相當一部分實際系統(tǒng)中使用[3435]。所以根據(jù)單調(diào)速率唯一因素任務(wù)周期來決定任務(wù)優(yōu)先級的原則，任務(wù)P1的優(yōu)先級高于任務(wù)P2的優(yōu)先級。四、任務(wù)之間相互獨立，沒有數(shù)據(jù)交換或者資源互斥。先來先服務(wù)調(diào)度算法只需要依賴任務(wù)的釋放時間進行調(diào)度，所以實現(xiàn)比較容易。為了更好的實現(xiàn)嵌入式多任務(wù)的控制性能，保證更好的控制效果，本文對目前常用的操作系統(tǒng)中所采用的主流多任務(wù)調(diào)度策略進行了研究與分析，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)先級周期性互換的多任務(wù)調(diào)度算法?；コ庑匀蝿?wù)由于任務(wù)間使用的資源具有互斥性而造成的，資源被一個任務(wù)占用后其他需要使用該資源的任務(wù)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(wù)釋放該資源后其他任務(wù)才可獲取資源并操作。偶發(fā)任務(wù)相對于非周期任務(wù)，它的觸發(fā)時間有一個最小時間間隔，但是沒有周期性。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(yīng)，才能保證外部環(huán)境和整個系統(tǒng)的正常工作。比如監(jiān)控系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)均屬于“軟實時”系統(tǒng)。任務(wù)的空閑時間是一個時間段概念。雖然通常情況下任務(wù)大多都是非周期性任務(wù)，但由于非周期任務(wù)調(diào)度算法比較復雜，需要專門對其進行分析。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。Ptolemy II的時間多任務(wù)可以實現(xiàn)基于優(yōu)先級搶占式的單處理器任務(wù)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(gòu)。仿真工具是一種采用某種（軟件或者硬件）替代手段來模擬真實環(huán)境。任務(wù)的優(yōu)先級取決于周期任務(wù)的周期，周期越短，優(yōu)先級就越高。所以它的使用和開發(fā)基本和通用Windows環(huán)境下開發(fā)流程類似。由Fsmlabs公司對現(xiàn)有Linux操作系統(tǒng)的的少量改動[20]而成的一種兼容性很強的實時操作系統(tǒng)。與之相反，開源Linux實時操作系統(tǒng)可以隨意獲得，但是它對開發(fā)者要求很高，需要開發(fā)人員自己解決所有問題。實時系統(tǒng)的特點要求也適用于嵌入式實時系統(tǒng)。解決問題的方法是將低優(yōu)先級任務(wù)和滿足條件的高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級進行周期性的互換，讓低優(yōu)先級任務(wù)也能在一個時間段中及時地執(zhí)行。一般來講，凡是帶有微處理器的電子系統(tǒng)，都可以統(tǒng)稱為嵌入式系統(tǒng)。目錄摘要 IAbstract III第一章緒論 11引言 1 1 5 7 7第二章嵌入式實時系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度機制 9 9 9 11 12 13 13 14 15 15 18 18第三章 基于角色的Ptolemy II實時仿真平臺研究 21 Ptolemy II域的研究分析 21 22 23 24 25（actor）分析介紹 28 Ptolemy II使用簡介 31第四章優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法的驗證 37 37 37 II軟件仿真 38 優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法應(yīng)用級仿真 41 44第五章總結(jié)與展望 47 總結(jié) 47 進一步的研究 48致謝