【正文】 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。接著，為進一步驗證優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的實用性，通過虛擬控制器和被控對象的傳遞函數(shù)模型，在時間多任務(wù)模型下進行了驗證。所以在優(yōu)先級周期性互換多任務(wù)調(diào)度算法中，有很明顯的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法的痕跡。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。這就存在一個很明顯的問題：低優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行會被大范圍延遲。所以，多任務(wù)調(diào)度算法在實時系統(tǒng)中占據(jù)著重要位置。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，那就能實現(xiàn)系統(tǒng)性能的改善。第四步：找出第三步中那個時間點的周期進行仿真。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。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)在實時系統(tǒng)中的響應(yīng)時間，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：解決實時系統(tǒng)中任務(wù)集的可調(diào)度問題。：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。被控對象的數(shù)學(xué)模型來自于實際生產(chǎn)過程被控對象的建模或者經(jīng)驗所得，如電機控制、溫度控制等。優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法的優(yōu)點：調(diào)度算法直觀，可操作性強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，易于用定時軟件實現(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。任務(wù)Task1的優(yōu)先級仍舊保持最高優(yōu)先級不變。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)行時間。：綠色為任務(wù)Task1，藍色為任務(wù)Task2，紅色為任務(wù)Task3。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：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，所以也不產(chǎn)生影響。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。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一步討論）。任務(wù)放棄CPU的條件是：時間片用完或者任務(wù)在時間片內(nèi)執(zhí)行完成或者掛起。第四章 優(yōu)先級周期性互換調(diào)度算法的驗證優(yōu)先級周期性互換任務(wù)調(diào)度算法，是針對實時系統(tǒng)中采用靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度周期性任務(wù)而提出的。如下所示：建立好仿真圖以后，在功能區(qū)選擇“啟動”“暫?！薄巴Ｖ埂卑粹o（），對仿真系統(tǒng)進行仿真和控制。當(dāng)所有的actor都拖放到工程區(qū)后，最后一步就是在各個actor之間連線。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。如Const，DiscreteClock，Timedplotter等。CompositeActor是一種用來將模塊進行封裝的actor，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的不同運算域之間的交互，這也稱作系統(tǒng)的異構(gòu)設(shè)計。都是通過圖形化界面進行“元件”的拖放，對于每個“元件”都有詳細的說明文檔和使用范例。將信號輸入端口的值進行誤差比例放大Kp倍，誤差積分和放大Ki倍，誤差微分值放大Kd倍進行系統(tǒng)控制。測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。AddSubtract，位置：；主要參數(shù)：NONE；端口：1個求和輸入端口，1個求差輸入端口，1個輸出端口。ZeroOr離散事件rHold，位置：；主要參數(shù)：NONE；端口：1個輸入端口，1個輸出端口。零階保持器的作用是在信號傳遞過程中，把第nT時刻的采樣信號值一直保持到第(n+1)T時刻的前一瞬時，把第(n+1)T時刻的采樣值一直保持到(n+2)T時刻，依次類推，從而把一個脈沖序列變成一個連續(xù)的階梯信號。進行系統(tǒng)仿真時，連續(xù)信號的離散化就由采樣器來實現(xiàn)模擬仿真。三、采樣器傳統(tǒng)的電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是模擬信號，即信號在時間上是連續(xù)的，不間斷的。在四個輸入端口都懸空的情況下，DiscreteClock以period為周期，offsets為初相位，values為幅值的三角波信號。Const，位置：；主要參數(shù)：value；端口：1個輸入（觸發(fā)）端口，1個輸出端口。輸入信號類型的選取，取決于系統(tǒng)常見的工作狀態(tài)；并在有可能的輸入信號中，往往選取最不利的信號作為系統(tǒng)的典型輸入信號。一般系統(tǒng)中，特別是在仿真系統(tǒng)中，均需要一個函數(shù)發(fā)生器來提供激勵信號，使得整個系統(tǒng)對該激勵信號做出響應(yīng)，才能給出仿真結(jié)果。對于角色，通過對其參數(shù)的定義可以實現(xiàn)一個角色到另一個角色的轉(zhuǎn)化。角色有很多不同層次的粒度。角色的定義和使用該角色的模型是獨立的，這樣在別的環(huán)境下就能很容易實現(xiàn)角色的重用。模型的配置通常還包括從一個端口到另一個端口的數(shù)據(jù)通信通道。（actor）分析介紹角色擁有定義好了的接口。這種應(yīng)用將從同步/反應(yīng)語義中獲益，因為它包括瞬時對話框，并可以收斂到一個固定點(當(dāng)存在線路爭用時，它決定誰將進入) . 同步/反應(yīng)模型在并發(fā)和復(fù)雜的邏輯控制中具有良好的應(yīng)用。然而不同于時間觸發(fā)和時間離散方法，它沒有假定所有(或者大部分)的信號在時間的每一刻都具有數(shù)值。一個Giotto程序指定一系列的模式，每一模式又包含一系列的任務(wù)和一系列的模式轉(zhuǎn)換。Giotto程序不指定與平臺相關(guān)的部分，例如優(yōu)先權(quán)、通信等。此外，激活的、平行的或順序的時間安排是靜態(tài)可計算的，對于嵌入式實時軟件和硬件來說，同步數(shù)據(jù)流成為一個非常有用的規(guī)范形式。數(shù)據(jù)流模型只指定組件間的數(shù)據(jù)相關(guān)，并規(guī)定組件間的并行執(zhí)行順序。過程網(wǎng)絡(luò)域模型的一個關(guān)鍵性弱點，是他們難以決定復(fù)雜的控制邏輯。信息的發(fā)送者不必等待接收器接收準(zhǔn)備就緒，就可以隨時發(fā)送信息。關(guān)于設(shè)計性的問題對有限狀態(tài)機模型已經(jīng)可以確定，而對于其它計算模型，這還不可判定。有限狀態(tài)機模型模型有一些關(guān)鍵性的弱點。并且必須嚴(yán)格按照狀態(tài)之間的順序執(zhí)行。有限狀態(tài)機域所有的計算模型都被認(rèn)為是并行，將并行分層的模型與有限狀態(tài)機相結(jié)合就可以得到對模型的建模。 任務(wù)調(diào)度模型 任務(wù)調(diào)度仿真示意圖離散時間域當(dāng)系統(tǒng)中的事件在發(fā)生的時間上不一致時，離散時間域采用標(biāo)記序列的方法實現(xiàn)角色之間的通信。任務(wù)P1又觸發(fā)了，且任務(wù)P1的優(yōu)先級高于任務(wù)P2的優(yōu)先級，系統(tǒng)又是處于搶占式任務(wù)調(diào)度算法。在時間多任務(wù)系統(tǒng)中，不管系統(tǒng)中同時觸發(fā)多少個任務(wù)都是按照一定的順序逐個執(zhí)行的。時間多任務(wù)模型采用事件觸發(fā)機制來處理任務(wù)時間特性，方法是將實時程序采用時間集中方法，通過最后期限和事件控制任務(wù)的時間特性。它在有限的資源上實現(xiàn)了盡可能多的任務(wù)，資源配置高度優(yōu)化。(a) 連續(xù)時間域?qū)嵗Ｐ蛨D(b) 連續(xù)時間域運行結(jié)果(a)是在Ptolemy II仿真軟件中創(chuàng)建的一個連續(xù)時間模型?；旌闲盘柦Ｊ堑湫偷倪B續(xù)子系統(tǒng)與數(shù)字電信號的聯(lián)合建模。這類事件稱為關(guān)聯(lián)事件[47]，它們必須按照先后關(guān)系才能進行正確的處理。按照時間戳順序，離散事件模型的調(diào)度器每次按照時間戳順序，由時間戳從小到大排序后依次進行事件處理。所以，事件觸發(fā)的時間和系統(tǒng)對事件的響應(yīng)時間是一個至關(guān)重要的參數(shù)，所以說，離散事件模型的主要任務(wù)是在規(guī)定時間內(nèi)對觸發(fā)的任何形式的事件依據(jù)既定規(guī)則進行處理。與同步/反應(yīng)模型一樣，這里有一個全局一致的時間概念，但離散事件計算模型中事件之間的時間是有意義的。 高斯信號的封裝在離散事件的計算模型中，連接代表的是同一時間鏈上所發(fā)生的事件集合。該模型通過正弦函數(shù)執(zhí)行體產(chǎn)生了正弦波的輸出。Ptolemy II中的角色，必須在相應(yīng)的計算域中進行工程設(shè)計，角色之間的通信是在域管理器的控制下完成的。在Ptolemy II中，為實現(xiàn)不同的方法處理時間問題和并發(fā)性問題的計算模型而定義了計算域的概念。在Ptolemy II中，角色與角色之間的交互是通過計算模型進行控制的，并定義了角色之間的控制流和端口之間的通信語意。主要用于研究仿真與設(shè)計、并行算法和實時嵌入式系統(tǒng)的建模。不論是靜態(tài)優(yōu)先級驅(qū)動任務(wù)調(diào)度還是動態(tài)優(yōu)先級驅(qū)動調(diào)度，優(yōu)先級就有高低之分。期限最近者優(yōu)先任務(wù)調(diào)度算法是動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度，它可以實現(xiàn)處理器的100%利用率。單調(diào)速率任務(wù)調(diào)度算法和期限最近者優(yōu)先任務(wù)調(diào)度算法適合于實時系統(tǒng)中多任務(wù)調(diào)度。為了改掉這個問題，研究人員提出了一種針對該算法的預(yù)防措施——設(shè)立閾值。期限最近者優(yōu)先調(diào)度算法的實現(xiàn)步驟：第一、查任務(wù)隊列中所有就緒任務(wù)；第二、比較所有任務(wù)最后時間期限；第三、將具有最先時間期限的任務(wù)給予最高優(yōu)先級即最先執(zhí)行該任務(wù)。動態(tài)調(diào)度算法可以達到比靜態(tài)調(diào)度算法更高的處理器利用率。單調(diào)速率任務(wù)調(diào)度算法在調(diào)度任務(wù)時對任務(wù)有一定的要求，所以它的這個局限性使得該調(diào)度算法不能任意運用。系統(tǒng)以后的任務(wù)調(diào)度就不斷重復(fù)前十二個時間單位。但由于在系統(tǒng)時間的第四個單位時間時任務(wù)P1觸發(fā)，并且由于它的優(yōu)先級高于任務(wù)P2，所以任務(wù)P2被迫釋放處理器資源進入就緒隊列，任務(wù)P1占用處理器進行執(zhí)行。兩個任務(wù)在0時刻同時到達，由于任務(wù)P1的優(yōu)先級最高，系統(tǒng)又是基于搶占式任務(wù)調(diào)度的，所以它可以馬上執(zhí)行。任務(wù)P1的周期為4，小于任務(wù)P2的周期6。所以，在設(shè)計系統(tǒng)和選取任務(wù)調(diào)度算法時最好對現(xiàn)有資源留有一定的裕量，便于系統(tǒng)的維護和升級。該極限值表明，實時操作系統(tǒng)要使用單調(diào)速率調(diào)度算法進行多任務(wù)調(diào)度，那么所有任務(wù)的執(zhí)行時間與任務(wù)周期比值之和不能超過ln2。單調(diào)速率算法的核心是通過周期這個唯一因素來決定優(yōu)先級高低，任務(wù)周期越短相應(yīng)的優(yōu)先級就越高。三、任務(wù)的執(zhí)行時間是恒定的。實時操作系統(tǒng)中所處理的任務(wù)優(yōu)先級是根據(jù)任務(wù)的周期決定的，任務(wù)的周期越短優(yōu)先級越高。單調(diào)速率調(diào)度算法被證明是最優(yōu)靜態(tài)實時調(diào)度算法。先來先服務(wù)調(diào)度算法為了執(zhí)行一個長響應(yīng)時間的任務(wù)而造成了后面所有短響應(yīng)時間任務(wù)的很大延遲。處理器加載下個任務(wù)進行處理，如此一直執(zhí)行完所有任務(wù)。這樣一來就大大減小了任務(wù)執(zhí)行周期，提高了任務(wù)執(zhí)行效率[32]。通常為幾十毫秒到幾百毫秒數(shù)量級，不能取的過大或過小。它的工作原理是將系統(tǒng)處理任務(wù)的時間分成等長時間片，并且維護一個任務(wù)就緒隊列表，按照任務(wù)的釋放時間進行排隊。五、所有的優(yōu)先權(quán)和資源使用限制得到滿足。一個有效的任務(wù)調(diào)度應(yīng)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(wù)。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(wù)提升為執(zhí)行狀態(tài)。實時系統(tǒng)為了實現(xiàn)硬實時任務(wù)的嚴(yán)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(wù)賦予高優(yōu)先級來實現(xiàn)最快的任務(wù)響應(yīng)。順序性任務(wù)實時系統(tǒng)中一個功能的實現(xiàn)往往需要多個任務(wù)的協(xié)作才能實現(xiàn)，這多個任務(wù)類似于流水線上的工序逐個順序執(zhí)行。實時任務(wù)間的相關(guān)性對于實時系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。如不滿足該約束，就會使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。超時任務(wù)產(chǎn)生的結(jié)果會隨著超時時間的延長有效性逐步下降。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(wù)的觸發(fā)時間進行模擬仿真。它沒有規(guī)律可循，觸發(fā)時間不確定。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。這些系統(tǒng)的特點是調(diào)度過程相對簡單。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(gòu)成完整的實時系統(tǒng)。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)包括軟硬件兩部分，在軟件層面主要涉及到中斷響應(yīng)時間、系統(tǒng)任務(wù)切換時間和任務(wù)調(diào)度時間；在硬件層面主要涉及到I/O口響應(yīng)時間、存儲區(qū)的讀寫和保護相應(yīng)時間等?！败泴崟r”和“硬實時”兩類實時操作系統(tǒng)因?qū)嵭缘囊蟛煌浴败泴崟r”系統(tǒng)的設(shè)計要比“硬實時”系統(tǒng)的設(shè)計相對簡單?！败泴崟r”系統(tǒng)，雖然對結(jié)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(dǎo)致了系統(tǒng)中的實時任務(wù)在執(zhí)行過程中超過了截止時間，卻不至于引起嚴(yán)重的后果（涉及到人身財產(chǎn)的損失）。系統(tǒng)中所采用的任務(wù)調(diào)度算法應(yīng)使得處理器的利用率必須小于100%，否則，截止期錯失率很高。該指標(biāo)主要用在衡量一種調(diào)度算法的優(yōu)良性。在實時系統(tǒng)中，所有的作業(yè)都應(yīng)該在各自的絕對截止期內(nèi)完成?？臻e時間：就是任務(wù)的絕對截止期減去任務(wù)的剩余執(zhí)行時間再減去當(dāng)前時間。剩余執(zhí)行時間：響應(yīng)時間減去任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行了的時間。處于運行態(tài)的任務(wù)只能有一個（在單處理器）。任務(wù)創(chuàng)建：將任務(wù)以可執(zhí)行二進制代碼實體加載到內(nèi)存中。非周期任務(wù)出現(xiàn)時間是隨機的，不確定的。為了便于描述任務(wù)調(diào)度基本單位，下文將用任務(wù)來表征調(diào)度基本單位。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。手機中某個程序響應(yīng)慢，甚至?xí)霈F(xiàn)“該應(yīng)用程序無響應(yīng)”的提示。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。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。使用Ptolemy II軟件將周期性任務(wù)優(yōu)先級轉(zhuǎn)化調(diào)度算法融合到實際系統(tǒng)中進行仿真驗證。介紹實時系統(tǒng)的應(yīng)用范圍、實時操作系統(tǒng)種類；常用任務(wù)調(diào)度算法；并簡要介紹Ptolemy II仿真軟件在任務(wù)調(diào)度方面的仿真優(yōu)勢。優(yōu)先級周期性互換實時系統(tǒng)任務(wù)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(wù)調(diào)度模型；該任務(wù)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。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)在仿真環(huán)境中一般比較難以模擬層次間、異構(gòu)間的信號進行交互，而Ptolemy采用角色設(shè)計方法很好的解決了不同結(jié)構(gòu)之間的信號交互，實現(xiàn)了異構(gòu)系統(tǒng)的模擬仿真。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]