【導(dǎo)讀】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(gè)行業(yè)。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)。由于一個(gè)系統(tǒng)中集成的功能越來越多，因而需要微處理器處理的任務(wù)也隨之增加。這就引進(jìn)了單個(gè)微處理器對多任務(wù)的調(diào)度問題。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。不同的任務(wù)都有不同的優(yōu)先級與之對應(yīng)，以滿足各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。對于低優(yōu)先級任務(wù)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)的大范圍延遲問題，在所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)中都是常見的。該算法的原理來源于非實(shí)時(shí)系統(tǒng)中時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。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(jìn)行周期性的互換，讓低優(yōu)先級任務(wù)也能在一個(gè)時(shí)間段中及時(shí)地執(zhí)行。并模擬實(shí)際控制系統(tǒng)，通過調(diào)度三個(gè)PID控制器對三個(gè)被控對象的控制，繪制出各任務(wù)的響應(yīng)曲線以驗(yàn)證優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法的合理性和優(yōu)勢。

　　

【正文】 ctor是一種用來將模塊進(jìn)行封裝的actor，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同運(yùn)算域之間的交互，這也稱作系統(tǒng)的異構(gòu)設(shè)計(jì)。Directors存放的是各種不同運(yùn)算域的調(diào)度器。如CT域，TM域等。Actors存放的是常用仿真actor。如Const，DiscreteClock，Timedplotter等。MoreLibraries存放的是擴(kuò)展庫actor。如TM域的SchedulePlotter。UserLibrary存放的用戶自定義的actor或CompositeActor。該庫在初次安裝后沒有任何actor，用戶在使用的過程中對于需要重復(fù)使用的模塊可以自己定義actor，并保存在UserLibrary中。 II創(chuàng)建用戶庫組建建立工程區(qū)在建立工程時(shí)，首先選擇待仿真系統(tǒng)的運(yùn)算域。如果是連續(xù)時(shí)間域的，就在Directors中選擇CT調(diào)度器；如果是時(shí)間多任務(wù)的，就選則TM調(diào)度器。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。當(dāng)所有的actor都拖放到工程區(qū)后，最后一步就是在各個(gè)actor之間連線。整個(gè)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?？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。設(shè)置方法一樣，選中點(diǎn)擊右鍵。如下所示：建立好仿真圖以后，在功能區(qū)選擇“啟動”“暫停”“停止”按鈕（），對仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真和控制。整個(gè)設(shè)計(jì)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(jìn)行參數(shù)調(diào)整和信號連接，最后進(jìn)行仿真。Ptolemy II仿真軟件易于上手，不用過多的學(xué)習(xí)手冊就能進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)和仿真。當(dāng)涉及到actor和director的功能和參數(shù)時(shí)再進(jìn)行相關(guān)文檔的學(xué)習(xí)。第四章 優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法的驗(yàn)證優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法，是針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)中采用靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度周期性任務(wù)而提出的。優(yōu)先級周期性互換的思想來源于非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法調(diào)度任務(wù)算法。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)任務(wù)調(diào)度算法屬于時(shí)間驅(qū)動任務(wù)調(diào)度算法。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法：將系統(tǒng)時(shí)間平均分成等長時(shí)間片段，每個(gè)就緒態(tài)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間就是這一小片，等時(shí)間片用完或者任務(wù)在這一小片時(shí)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(gè)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)。任務(wù)放棄CPU的條件是：時(shí)間片用完或者任務(wù)在時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行完成或者掛起。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(shí)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(shí)間內(nèi)變?yōu)檩^低優(yōu)先級任務(wù)。這樣使得較低優(yōu)先級任務(wù)能有機(jī)會盡快執(zhí)行，以減少低優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行的延遲時(shí)間。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(diǎn)。優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法所調(diào)度的任務(wù)是周期性的，非周期性任務(wù)不在討論范圍內(nèi)（可在接下來的工作中進(jìn)一步討論）。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(shí)時(shí)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）。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(jì)算優(yōu)先級。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(shí)時(shí)系統(tǒng)任務(wù)集：周期：相位：執(zhí)行時(shí)間：任務(wù)優(yōu)先級：（值越小，優(yōu)先級越高）相對截止時(shí)間：任務(wù)表示：剩余執(zhí)行時(shí)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：。由于使用優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法的前提是采用某種靜態(tài)優(yōu)先級搶占式調(diào)度算法后所有任務(wù)均可調(diào)度。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。周期性優(yōu)先級任務(wù)互換調(diào)度算法是在兩個(gè)不同優(yōu)先級之間，周期性的進(jìn)行優(yōu)先級互換，以達(dá)到較低優(yōu)先級任務(wù)盡早執(zhí)行完成，降低延遲時(shí)間。在實(shí)時(shí)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：。當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)與低優(yōu)先級任務(wù)之間無其他任務(wù)時(shí)：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(shí)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(shí)間也沒有發(fā)生變化，所以也不產(chǎn)生影響。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(shí)：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(shí)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(shí)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(shí)間也沒有發(fā)生變化，所以不產(chǎn)生影響。 II軟件仿真設(shè)在調(diào)度系統(tǒng)中有如下任務(wù)：任務(wù)，其中：，使用Ptolemy II建立的工程如下所示：TM Director是多任務(wù)調(diào)度器；prioritypriority2和priority3分別是任務(wù)任務(wù)2和任務(wù)3的優(yōu)先級；DiscreteClock用來模擬周期性任務(wù)的觸發(fā)，并在其中設(shè)置觸發(fā)相位參數(shù)；TaskTask2和Task3用來模擬三個(gè)任務(wù)，并在其中添加執(zhí)行時(shí)間ExecutionTime參數(shù)和priority參數(shù)，用來控制任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間和優(yōu)先級。下圖是三個(gè)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(jìn)行任務(wù)調(diào)度。：綠色為任務(wù)Task1，藍(lán)色為任務(wù)Task2，紅色為任務(wù)Task3。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。Task3的執(zhí)行時(shí)間為18，超出了相對截止時(shí)間12。，任務(wù)Task3在20i+10（i=0，1，2…）時(shí)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(jìn)行執(zhí)行，那就能大大縮短任務(wù)Task3的執(zhí)行時(shí)間，以保證在相對截止期內(nèi)完成任務(wù)執(zhí)行。下圖建立優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法工程，針對Task2和Task3進(jìn)行優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度，以縮短Task3的執(zhí)行時(shí)間。，Continuous Director是連續(xù)域調(diào)度器；ContinuousClock是連續(xù)域的時(shí)鐘信號，在此用來產(chǎn)生周期信號以實(shí)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。TMContr組建中的角色組合和圖中相一致。 周期性方波仿真結(jié)果，任務(wù)Task3在時(shí)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)Task1的優(yōu)先級仍舊保持最高優(yōu)先級不變。任務(wù)Task2的最大相對截止時(shí)間是8，任務(wù)Task3的最大相對截止時(shí)間是12。采用優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法后，改善了任務(wù)Task3的延遲時(shí)間，而給任務(wù)Task2帶來的延遲保持在相對截止時(shí)間內(nèi)。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(shí)間。優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)度算法直觀，可操作性強(qiáng)可選擇性的針對低優(yōu)先級任務(wù)使用該調(diào)度策略該調(diào)度算法涉及到的參數(shù)少，易于用定時(shí)軟件實(shí)現(xiàn) 優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法應(yīng)用級仿真目前，最常用的控制策略就是PID控制器。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。PID控制器控制方式簡單，參數(shù)少，易于整定。在優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的驗(yàn)證中，控制器采用PID控制策略進(jìn)行仿真。被控對象的數(shù)學(xué)模型來自于實(shí)際生產(chǎn)過程被控對象的建模或者經(jīng)驗(yàn)所得，如電機(jī)控制、溫度控制等。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(jìn)行建模和數(shù)學(xué)抽象，采用現(xiàn)成的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。設(shè)：在任務(wù)調(diào)度中有三個(gè)任務(wù)，分別描述如下：任務(wù)：，任務(wù)1：，PID參數(shù)：Kp=100，Ki=25，Kd=10被控對象傳遞函數(shù)：任務(wù)2：，PID參數(shù)：Kp=40，Ki=5，Kd=被控對象傳遞函數(shù)：任務(wù)3：，PID參數(shù)：Kp=20，Ki=，Kd=1被控對象傳遞函數(shù)：Ptolemy II針對上述模型建立如下工程：上圖中，PrioritySche組件（）是用來完成任務(wù)優(yōu)先級周期性調(diào)度功能；TM_CPU_PID組件是模擬仿真CPU單任務(wù)運(yùn)行環(huán)境。 PrioritySche組件 TM_CPU_PID組件Const是系統(tǒng)的給定值；AddSubtract是進(jìn)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)。：在任務(wù)調(diào)度仿真圖中，PID1是Controller1調(diào)度仿真圖；PID2是Controller2調(diào)度仿真圖；PID3是Controller3調(diào)度仿真圖。由圖可以看出，PID3由于優(yōu)先級低，執(zhí)行延遲時(shí)間長，導(dǎo)致Controller3控制環(huán)發(fā)散。 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(shí)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。 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(shí)得到處理，減小執(zhí)行延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)低優(yōu)先級任務(wù)可控。采用本文提出的優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法可以顯著改善低優(yōu)先級任務(wù)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的響應(yīng)時(shí)間，下面將使用優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的方法總結(jié)如下：第一步：解決實(shí)時(shí)系統(tǒng)中任務(wù)集的可調(diào)度問題。由于優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法其實(shí)是一種實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的改進(jìn)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。所以，不論是按照任務(wù)的重要性手工安排任務(wù)的調(diào)度方法還是通過某種具有優(yōu)良特性的任務(wù)調(diào)度算法（靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度），主要是為了解決任務(wù)集的調(diào)度問題。第二步：得出當(dāng)前任務(wù)集的任務(wù)調(diào)度仿真圖。當(dāng)解決了任務(wù)集的調(diào)度問題，得到任務(wù)調(diào)度仿真圖。第三步：分析任務(wù)調(diào)度圖中某個(gè)需要調(diào)整的低優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)延特點(diǎn)。特別關(guān)注目標(biāo)任務(wù)在執(zhí)行期間哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)被剝奪了處理器資源，找出那個(gè)時(shí)間點(diǎn)的周期。再分析高優(yōu)先級任務(wù)中哪個(gè)任務(wù)的截止期相較于執(zhí)行時(shí)間長。第四步：找出第三步中那個(gè)時(shí)間點(diǎn)的周期進(jìn)行仿真。通過模擬仿真，查看整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能是否有顯著下降。如果系統(tǒng)中的任務(wù)集時(shí)間特性都在允許范圍之內(nèi)，證明優(yōu)先級互換任務(wù)調(diào)度算法在該系統(tǒng)中有效。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。如果優(yōu)先級周期性任務(wù)調(diào)度算法可用，并且容易嵌入到任務(wù)系統(tǒng)中的調(diào)度算法中，那就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的改善。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。便于修改調(diào)度算法，減小開發(fā)成本和時(shí)間。第五章 總結(jié)與展望 總結(jié)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的軟件層核心是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心又是多任務(wù)調(diào)度算法。所以，多任務(wù)調(diào)度算法在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中占據(jù)著重要位置。實(shí)時(shí)系統(tǒng)為了滿足實(shí)時(shí)任務(wù)嚴(yán)格的時(shí)間要求，均采用優(yōu)先級驅(qū)動多任務(wù)調(diào)度算法。基于優(yōu)先級驅(qū)動的多任務(wù)調(diào)度算法又可以分為搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度。為了實(shí)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(gè)要求。這就存在一個(gè)很明顯的問題：低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行會被大范圍延遲。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(shí)。相反，越不重要的任務(wù)賦予的優(yōu)先級就越低。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中不重要的任務(wù)也需要按時(shí)完成，否則它就沒有存在的必要和意義。但是低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行會由于高優(yōu)先級任務(wù)的不斷搶占而被延遲，很容易因此而失效。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(shí)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(shí)時(shí)性。本文通過對主流多任務(wù)調(diào)度算法的研究和分析，主要是掌握各個(gè)調(diào)度算法的基本思想。對時(shí)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。所以在優(yōu)先級周期性互換多任務(wù)調(diào)度算法中，有很明顯的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的痕跡。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(diǎn)的仿真軟件。特別是在時(shí)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(xué)習(xí)和參數(shù)設(shè)置上。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(jìn)行了初步的仿真和驗(yàn)證，得到了期望的效果。接著，為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的實(shí)用性，通過虛擬控制器和被控對象的傳遞函數(shù)模型，在時(shí)間多任務(wù)模型下進(jìn)行了驗(yàn)證。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。這也表明，最低優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行是被高優(yōu)先級任務(wù)搶占造成了響應(yīng)時(shí)間加長，最終成為不可控的控制環(huán)。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(jìn)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(shí)間。從仿真結(jié)果看到，低優(yōu)先級任務(wù)從最初的不可控到最后逐漸趨于穩(wěn)定，證明了優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的正確性。存在的問題，由于優(yōu)先級周期