一种用于嵌入式实时系统的任务调度方法
高博 牛伟 马振华
【摘要】? ? 任务调度是强实时嵌入式系统必备的功能，本文利用嵌入式处理器自身的中断机制，实现了一种应用于强实时嵌入式系统的可抢占式任务调度方法。该方法具有实现简单、占用空间小、运行效率高、复杂性低等特点，非常适用于资源紧张且对时间非常敏感的嵌入式系统。经过验证，本方法任务的周期准确、运行稳定可靠，且在多型产品中得到应用。
【关键词】? ? 任务调度? ? 嵌入式系统? ? 数字信号处理器
引言
随着科学技术的发展，嵌入式设备的发展越来越快，用于工业控制的嵌入式计算机往往都是实时系统，要求系统中运行的各个任务都具有很强的实时性。一般为了解决嵌入式实时系统对任务实时性的要求，可以向系统中移植实时操作系统，但其对系统的存储资源都有一定的要求，再加上任务调度算法的存在，也会对系统的性能带来一定损耗。同时由于嵌入式实时操作系统功能不僅限于任务调度，对于一些简单的实时系统会引入很多无用功能，提高软件的复杂性，降低系统的安全性。除此之外，嵌入式电子设备为了降低成本，提高用户体验，越来越注重体积、重量、能耗、价格等因素，特别对于轻量级实时系统，它们对资源的要求更加苛刻。本文针对上述情况，介绍了一种基于CPU内部中断的抢占式实时任务调度方法，并使用TI公司的TMS320F2812系列数字处理芯片进行实现，该方法还具有简单的优先级管理功能。本文的任务调度软件可以大大降低对存储空间的需求，降低系统成本，提高运行效率，可以用于需要简单的任务调度功能的实时系统。
TMS320F2812是TI公司生产的C2000系列中的一种高性能DSP，其主频最高可达150MHz，且外设资源丰富，性能稳定，广泛应用于各种控制领域。
一、实现原理
1.1任务调度原理
嵌入式实时系统中往往具有多个实时任务，每个任务的执行周期均有严格的要求，任务间也具有优先级的区分，优先级高的可以抢占优先级低的任务。上述概念就是嵌入式实时系统中的任务调度，它的核心操作就是任务上下文切换。一个实时系统中实时周期任务的运行过程示意图参见图 1。
图 1示例中有3个周期任务，其中高优先级任务的执行周期为t1，中优先级任务的执行周期为t2，低优先级任务的执行周期为t3。时间段A中，高优先级任务执行完毕，中优先级任务执行，同时中优先级任务的执行过程被高优先级任务多次抢占。在时间段B中，高、中优先级任务均执行完毕，低优先级任务执行，执行一段时间后，又被高优先级任务抢占。在时间段C中，各个优先级的任务均执行完毕，处理器处于空闲状态，低优先级任务的执行过程被高优先级和中优先级任务多次抢占。
任务上下文切换的过程与中断类似，当需要任务切换时，需要完整地保存正在执行任务的现场，即CPU寄存器，并恢复即将执行任务的现场。除了最基本的任务切换功能外，还需要一些额外的算法和机制来支持任务调度以及任务优先级控制。本文提出一种方法，充分利用DSP2812本身的中断机制，实现一种简单的任务优先级控制和任务切换方法，仅支持抢占式任务调度，可以用于轻量级的嵌入式实时系统。
1.2 DSP2812的中断机制
使用中断实现任务调度，就需要把每个任务放在一个独立的CPU中断中，利用中断触发CPU自动的上下文切换。同时为了支持任务优先级的控制，就要求这些被当作任务的中断必须为可屏蔽中断，这就要求CPU的可屏蔽中断支持以下特性：
1）可以通过软件触发;
2）不同的中断具有不同的优先级;
3）中断支持嵌套，且可以被多次嵌套;
4）满足以上条件的中断数量应大于任务个数。
DSP2812具有外设中断扩展（Peripheral Interrupt Expansion）模块，当使能PIE模块后，DSP2812的可屏蔽中断共有114个，其中有96个都是PIE模块扩展出来的中断，这些中断被分为12组，每一组包含8个中断源。
DSP2812的可屏蔽中断首先受到全局中断标志INTM的控制。由于PIE模块的12个组分别连接到CPU的INT1到INT12，每一组的中断使能受到中断使能寄存器IER对应位的控制。最后每一组内8个中断又受到对应组的PIE模块中断使能寄存器PIEIERx的控制。DSP2812的PIE模块中每一个中断均支持软件触发，以通过软件触发某个PIEx.y的中断为例，首先需要使能INTM，然后在IER中使能INTx，在PIEIERx中使能INTy，最后通过向PIEIFRx的INTy写1，触发PIEx.y中断。
利用中断实现多任务的调度，每次任务切换就是一次中断嵌套，对于DSP2812来说，它的C语言运行环境在进入中断服务程序后，会自动禁止全局中断，如果要允许中断嵌套，则需要手动使能全局中断。这种机制恰好方便了使用中断实现任务调度，在进入中断到手动使能全局中断的这段时间内，CPU不会被其他任何可屏蔽中断打断，也就是这段代码处于临界区。这段区域就可以使能比正在执行任务优先级高任务的中断，禁止比正在执行任务优先级低任务的中断，从而实现优先级控制。而中断现场的保存和恢复，也就是任务上下文切换由CPU的中断机制自动完成，同时如果DSP2812的C语言运行环境检测到中断服务程序中调用了函数，则会在进入中断时自动保存所有寄存器，这种机制极大地简化了任务上下文切换的过程。
二、软件实现
下面以一个强实时系统为例，说明本文方法的实现过程。该系统有1个外部中断，接到XINT1上，该中断在PIE模块中的中断源为PIE1.4。该系统共有2个强实时周期任务，执行周期分别为20ms和100ms，分别命名为TaskA和TaskB。
2.1中断配置
具有实时任务的系统中必须有一个时基，一般来源于CPU定时器，本例中使用DSP2812的定时器0作为时基，时基中断的触发频率为1kHz，即每隔1ms触发一次。定时器0的中断源为PIE1.7。
此时PIE组1的中断已经使用了2个，为了方便使用，本例将2个任务均放在未使用的PIE组2中，使用PIE2.1和PIE2.2。
根据上述中断的要求，具体中断配置如下：
1）使能IER1和IER2，使能PIEIER1.4、PIEIER1.7以及PIEIER2.1和PIEIER2.2。
2）软件中控制中断优先级从高到低的顺序为PIE1.4、PIE1.7、PIE2.1和PIE2.2。
2.2定时器中断服务程序
定时器中断服务程序就是时基的处理程序，该程序需要实现每个任务的调度。同时时基中断不能被任务打断，DSP2812处理器自身具有执行中断时默认关闭可屏蔽中断的功能。定时器中断服务程序要完成的操作如下：
1）根据每个任务的运行周期，利用定时器中断次数计数器，周期性设置每个任务对应的PIEIFR寄存器。对于本例，每隔20次中断将PIEIFR2.1置位;每隔100次中断将PIEIFR2.2置位。
2）为了防止任务函数执行超时造成重入，每次置位IFR时，需要预先判断对应的任务是否执行完毕，可以在任务的中断服务程序中，通过标志位实现。如果对应任务未执行完，需要设置超时标志，不能设置置相应的PIEIFR寄存器。
3）累加定时器中断次数计数器，同时置位定时器的PIEACK寄存器，以清除定时器中断。
2.3任务中断服务程序
为了实现可抢占任务调度，每个任务中都可以被比自身优先级高的任务以及定时中断打断，因此任务需要允许中断嵌套。同时开启中断嵌套后，需要手动控制可以打断当前任务中断的使能。同时除了任务以外的其他中断应当保持使能。每个任务中断服务程序需要完成的操作如下：
1）设置任务开始执行标志，以便定时器中断服务程序判断任务是否超时。
2）将IER和PIEIER寄存器设置为使能比自己优先级高任务的中断，以及所有非任务中断。例如当运行最高优先级任务TaskA时，不允许其他任务抢占，但允许被中断抢占。此时IER需要使能第1位、禁止第2位，而PIEIER1保持不变，PIEIER2需要将第1位和第2位均禁止断;当运行TaskB时，要允许TaskA抢占，还要允许中断抢占，此时IER使能第1位和第2位，PIEIER1保持不变，同时PIEIER2禁止第2位使能第1位。
3）使能全局中断，并执行任务，过程中允许所有中断和比当前任务优先级高的任务，打断当前任务的执行。
4）禁止全局中断，将IER和PIEIER寄存器恢复为任务中断前的状态。
5）清除任务开始执行标志并执行中断返回。
三、方法验证
采用第3节的示例对本文提出的任务调度方法进行验证，每个任务均执行耗费一定时间的操作，分别测量每个任务的执行周期，结果参见图 2。
图 2中，上面的波形表示TaskA即20ms任务的执行情况，下面的波形表示TaskB即100ms任务的执行情况。20ms任务的执行时间大约为4ms，其中被外部中断打断时大约多执行1ms。100ms任务的执行时间大约为50ms，其中被20ms打断5次，大约需要20ms，任务本身的执行也会被外部中断打断。本方法任务运行周期稳定，能够实现实时任务调度。
四、结束语
本文提出的任务调度方法利用了DSP本身的中断机制，任务调度周期准确且可抢占，能够满足嵌入式强实时系统的要求。同时其代码量非常小，几乎不占用额外的運行RAM，且任务切换完全使用CPU本身的中断自动切换机制，具有安全性高、效率高的优点。
