CN101452404B - 一种嵌入式操作系统的任务调度装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种入式操作系统的任务调度装置及方法，所述装置包括处理器、系统调度器、系统可调度任务集合模块以及自适应分区模块；所述方法首先初始化自适应分区；然后根据各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例得到各自适应分区在一个系统调度周期内能够分配到的处理器时间；最后在系统调度周期内调度各自适应分区时，再为各自适应分区分配处理器时间，当前调度的自适应分区的分区调度器根据分区调度策略在其所分配到的处理器时间内调度任务队列中的任务。本发明克服了当前嵌入式操作系统中调度机制存在的只能对同种类型的静态优先级任务进行全局调度的缺陷。

Description

一种嵌入式操作系统的任务调度装置及方法

技术领域

本发明涉及嵌入式操作系统领域，确切地说，涉及一种入式操作系统的任务调度装置及方法。

背景技术

随着多媒体、高速网络等技术的快速发展，越来越多的嵌入式系统要求具有联网、图形等复杂功能，以提高其图形化管理、网络化协同操作等特性；而这些发展对于嵌入式系统底层的操作系统提出了越来越高的要求，因嵌入式操作系统(Embedded Operating System，EOS)负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调并发等活动；EOS是相对于一般操作系统而言的，它具备一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等。

一方面，目前嵌入式系统大多通过有线或无线方式与外界相连，网络的连接性允许用户可以远程监视和控制系统，并在系统运行期间下载新的程序与内容，这大大提高了系统的易用性和功能扩展性。然而，这也使系统容易受到不可靠软件的影响，在基于优先级调度的多任务嵌入式操作系统中，如果系统存在安全漏洞，恶意软件可能会将自己配制成高优先级任务独占或超时使用处理器资源，阻止其它重要任务的运行，从而导致整个系统的崩溃。另外，由于软件设计不当，某些高优先级进程也可能会出现这种问题，造成该情况的直接原因是目前嵌入式操作系统采用单级调度结构。

目前，大多数嵌入式操作系统都属于多任务操作系统，且使用优先级单级调度算法调度任务，如图1所示，所有任务直接由系统调度器调度，共享处理器的计算能力，假设由于设计错误或安全漏洞导致某任务长期独占或超时使用处理器，将会阻止或延迟其他任务的执行，进而可能导致整个系统崩溃。比如最高优先级任务1独占处理器时，只要它不释放处理器，其余n-1个低优先级任务将永远的不到执行机会。

另一方面，随着嵌入式系统应用向着高性能、网络化、智能化方向的不断深入发展，开放式混合实时需求也变得越来越突出。很多嵌入式系统不仅要求多类型的硬实时、软实时和非实时任务并存，还要求任务能够动态加入和退出，以及任务的执行时间具有时变特征。比如多媒体系统要求稳定周期的帧处理和显示，而帧信息的处理计算时间又随着影片的不同而动态地变化；网络服务系统需要针对不同类别的用户、不同服务请求的特性提供不同实时Qos保证的服务，且服务请求负载呈现动态不确定性变化等。然而，传统的基于单级调度策略架构的实时操作系统无法满足这些多类型任务并发、系统负载动态变化等开放混合实时系统任务调度的需求。

针对目前嵌入式实时操作系统所面临的挑战，国内外研究人员已经开始研究新的、安全的、高效的开放式混合任务调度机制。专利号为US2006206887的美国发明专利“Adaptive partitioning foroperating system”揭示了一种基于优先级的自适应分区调度装置，该装置可以生成多个自适应分区，其中这些自适应分区的每个都与一个或多个软件线程相关，并且，每一个分区都具有相应的处理器预算。在系统运行期间，如果高优先级任务耗尽了所属分区的处理器预算，则停止执行，释放处理器等待下一个系统调度周期。通过这种自适应分区调度策略，系统为各级优先级的任务提供公平共享的执行时间保证，防止了高优先级任务独占处理器，使低优先级任务也有机会运行。然而，该专利调度方法和调度对象单一，只能对同种类型的静态优先级任务进行全局调度，而且在系统运行期间不能动态加入和退出任务，无法满足开放式混合实时系统中多类型任务并发，系统动态变化的需求。

专利号为US2006206881的美国专利“Processs cheduleremploying adaptive partitioning of critical process threads”和专利号为CN200610064818的中国专利“采用进程线程的自适应分区的进程调度程序”则在US2006206887的基础上通过设置临界时间预算来保证一些关键临界任务的执行，但它们依然没有能够解决专利US2006206887存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种嵌入式操作系统的任务调度装置及方法，本发明克服了当前嵌入式操作系统中调度机制存在的只能对同种类型的静态优先级任务进行全局调度的缺陷，并且解决了系统运行期间不能动态加入和退出任务的问题。

一种嵌入式操作系统的任务调度装置，包括处理器、系统调度器和系统可调度任务集合模块，还包括自适应分区模块，

所述自适应分区模块包括自适应分区、分区调度器以及任务队列，每个自适应分区均具有一个分区调度器和一个任务队列，所述任务队列用来存储加入的任务；所述分区调度器用于计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力和分区调度周期，并将计算结果发送给所述系统调度器；所述分区调度器还用于按照分区调度策略调度相应任务队列中的任务；

所述系统调度器用于根据所述系统可调度任务集合模块中任务的类型初始化所述自适应分区模块的自适应分区；计算所述各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例，并设置系统调度周期；根据所述比例计算各自适应分区在一个系统调度周期内能够分配到的处理器时间，并将所述时间标记给各自适应分区；以及按照系统调度策略调度各自适应分区；

所述系统可调度任务集合模块用来存储已加入的任务或者申请退出的任务。

所述系统调度模块还用于为每个自适应分区生成唯一的标识符；以及监测所述系统可调度任务集合模块中是否有任务加入或者申请退出，且在监测到有任务加入时，根据所述任务的类型查找所述自适应分区模块中是否有与之相匹配的已初始化的自适应分区，若是，则将所述任务加入到相应自适应分区的任务队列中；否则，为所述任务初始化一个新的自适应分区，将所述任务加入到所述新的自适应分区的任务队列中；在监测到有任务申请退出时，删除所述任务，并检查各自适应分区的任务队列是否为空，若是，则删除相应的自适应分区。

所述装置还包括任务接收控制模块，用于根据系统中剩余处理器计算能力控制任务的加入，并将加入的任务添加到所述系统可调度任务集合模块中；以及在系统运行期间，有任务申请退出时将所述申请退出的任务添加到所述系统可调度集合模块中。

一种嵌入式操作系统的任务调度方法，包括如下步骤：

步骤一：系统调度器根据系统可调度任务集合中的任务类型初始化自适应分区；

步骤二：所述自适应分区的分区调度器计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力和分区调度周期，并将计算结果发送给所述系统调度器；

步骤三：所述系统调度器根据接收到的各自适应分区所需的最小处理器计算能力计算各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例，并根据接收到的各自适应分区的分区调度周期设置系统调度周期；然后根据所述比例计算各自适应分区在一个系统调度周期内能够分配到的处理器时间，并将所述时间标记给各自适应分区；

步骤四：所述系统调度器在系统调度周期内根据系统调度策略调度各自适应分区，并为各自适应分区分配处理器时间，当前调度的自适应分区的分区调度器根据分区调度策略在其所分配到的处理器时间内调度任务队列中的任务。

所述步骤一还包括：为所述各自适应分区生成唯一标识符。

在系统运行期间，所述系统调度器监测所述系统可调度任务集合中是否有任务加入或者申请退出，若监测到有任务加入或者申请退出，则在当前系统调度周期结束后执行如下步骤：

步骤a：判断系统可调度任务集合中当前任务是新加入的任务还是申请退出的任务，若是新加入的任务，则执行步骤b；若是申请退出的任务，则执行步骤c；

步骤b：根据所述任务的类型查找自适应分区模块中是否有与之相匹配的已初始化的自适应分区，若是，则将所述任务加入到相应自适应分区的任务队列中，转入步骤二执行；否则，为所述任务初始化一个新的自适应分区，并为所述新的自适应分区生成唯一标识符，将所述任务加入到所述新的自适应分区的任务队列中，转入步骤二执行；

步骤c：删除所述任务，并检查各自适应分区的任务队列是否为空，若是，则删除相应的自适应分区，转入步骤二执行；否则，直接转入步骤二执行。

若系统运行期间有任务申请加入，则任务接收控制模块执行如下操作：

步骤(1)：计算申请加入的任务所需的最小处理器计算能力及系统剩余的处理器计算能力；

步骤(2)：比较所述系统剩余的处理器计算能力是否大于所述申请加入的任务所需的最小处理器计算能力，若是，则执行步骤(3)；否则，拒绝所述任务加入；

步骤(3)：将所述任务加入到系统可调度集合中。

若系统运行期间有任务申请退出，则任务接收控制模块将所述任务加入到所述系统可调度任务集合中。

所述步骤四中，所述系统调度器是通过各自适应分区的标识符来调度各自适应分区的。

所述步骤二中，所述自适应分区的分区调度器是根据其所属的自适应分区所辖任务的类型及运行参数计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力及分区调度周期的。

本发明基于自适应分区技术，按比例分配处理器计算资源，不仅防止了不可靠程序抢占重要任务的处理器时间，还阻止了恶意代码独占处理器资源，有效提高了系统的可靠性。同时，本发明通过采用新任务准入控制、二级任务调度、自适应调节处理器能力机制，使系统能够有效地调度各类实时约束的任务集；在不影响先前任务运行的前提下，有控制地添加新任务；根据系统负载变化，自适应调整处理器资源配置，满足了当前开放式实时系统高可靠性、实时与非实时任务并发、计算环境不确定性等需求，具有扩展性好，系统可靠运行，应用范围广等特点。

附图说明

图1是现有单级调度任务方法示意图；

图2是本发明所述装置结构示意图；

图3是本发明所述装置在Linux操作系统上实现的结构示意图；

图4为本发明所述方法流程图；

图5为本发明所述方法的任务调度序列示意图；

图6为本发明所述方法在运行时有新任务申请加入时的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和优选实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于自适应分区技术，按比例分配处理器计算资源，目前已在Linux操作系统内核得以实现。对于微内核操作系统，本发明所述装置也可以在内核外实现。所以需要指出的是，本发明不局限于任何具体的硬件平台架构和操作系统类型，具有较广泛的通用性。

图2是本发明所述装置结构示意图，应用于嵌入式系统，包括处理器、系统调度器、系统可调度任务集合模块、自适应分区模块以及任务接收控制模块；

所述系统调度器是整个装置的核心，用于根据所述系统可调度任务集合模块中任务的类型初始化所述自适应分区模块的自适应分区，并为每个自适应分区生成唯一的标识符；根据接收到的各自适应分区所需的最小处理器计算能力计算各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例，并根据接收到的各自适应分区的分区调度周期设置系统调度周期；根据所述各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例计算各自适应分区在一个系统调度周期内能够分配到的处理器时间，并将所述时间标记给各自适应分区；以及按照系统调度策略调度(如轮询算法)各自适应分区；还用于监测所述系统可调度任务集合模块中是否有任务加入或者申请退出，且在监测到有任务加入时，根据所述任务的类型查找所述自适应分区模块中是否有与之相匹配的已初始化的自适应分区，若是，则将所述任务加入到相应自适应分区的任务队列中；否则，为所述任务初始化一个新的自适应分区，将所述任务加入到所述新的自适应分区的任务队列中；在监测到有任务申请退出时，删除所述任务，并检查各自适应分区的任务队列是否为空，若是，则删除相应的自适应分区。

所述系统可调度任务集合模块用来存储已加入的任务或者申请退出的任务。

所述自适应分区模块为逻辑上的时间间隔区，包括自适应分区、分区调度器以及任务队列，每个自适应分区均具有一个分区调度器和一个任务队列，所述任务队列用来存储加入的任务；所述分区调度器用于计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力和分区调度周期，并将计算结果发送给所述系统调度器；所述分区调度器还用于按照分区调度策略调度相应任务队列中的任务。

所述任务接收控制模块，用于根据系统中剩余处理器计算能力控制新任务的加入，并将加入的任务添加到所述系统可调度任务集合模块中，以保证新任务的加入不会破坏先前任务的可调度性；以及在系统运行期间，有任务申请退出时将所述申请退出的任务添加到所述系统可调度集合模块中。

图3是本发明所述装置在Linux操作系统上实现的结构示意图；Linux操作系统分为内核态与用户态，内核任务运行在内核态，而应用程序运行在用户态。本实施例在Linux操作系统内核中实现，所以运行在内核态，如图所示，本实施例中共设置了四个自适应分区，分别处理不同类型的任务。其中，自适应分区1负责处理非实时性任务，自适应分区2负责处理优先级冲顶速率单调的实时任务，自适应分区3负责处理面向最小空闲时间优先的实时任务，自适应分区4则负责处理基于时钟驱动循环类型的实时任务。

本实施例中，系统调度器采用最早截止期限优先调度策略来调度各自适应分区；同时，系统调度器可感知任务的动态加入和退出，根据情况新建自适应分区或调整分区所占的处理器计算能力。

图4为本发明所述方法流程图，下面通过结合图3具体描述本发明所述方法的步骤：

步骤401：系统调度器根据系统可调度任务集合中的任务类型初始化自适应分区，并为每个自适应分区生成唯一标识符；

每一个自适应分区代表一种调度策略，相同调度类型的任务被分配到相同的自适应分区的任务队列中，每一个自适应分区都要被唯一标识，从而可以让系统调度器进一步访问。

图3所示实施例中，共有四个自适应分区，分别是：AS1(分时调度)；AS2(优先级冲顶速率单调调度)；AS3(最小空闲时间优先调度)和AS4(基于时钟驱动循环调度)，每一个分区中都有分区调度器和任务队列。

步骤402：各自适应分区的分区调度器根据其所属的自适应分区所辖任务的类型和运行参数计算其所属的自适应分区所需的最小处理器计算能力及分区调度周期；

图3所示实施例中，确定四个自适应分区所需的最小处理器计算能力和调度周期分别为：AS1(0.15，260)；AS2(0.05，330)；AS3(0.2，100)；AS4(0.1，120)。

步骤403：所述系统调度器对接收到的各自适应分区所需的最小处理器计算能力进行归一化计算，即令处理器的计算能力为1.0，计算各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例，并根据接收到的各自适应分区的分区调度周期设置系统调度周期；

图3所示实施例中，各自适应分区所需的最小处理器能力占处理器计算能力的比例为(0.3，0.1，0.4，0.2)；确定系统调度周期为100ms。

步骤404：系统调度器按照各自适应分区所需的最小处理器能力占处理器计算能力的比例计算各自适应分区在一个系统周期内能够分配到的处理器时间预算，并将所述时间预算标记给各自适应分区；

图3所示实施例中，各自适应分区在一个系统周期内能够分配到的处理器时间预算分别为(30，10，40，20)。

步骤405：系统调度器根据系统调度策略调度各自适应分区，并按照各自适应分区标记的处理器时间为其分配处理器时间；

图3所示实施例中，由于系统调度器采用的是最早截止期限优先调度策略，每个自适应分区所分配到的处理器时间也就是其截止期限，所以，按照(30，10，40，20)的时间分配，系统调度器按照AS2-AS4-AS1-AS3的顺序调度各自适应分区。

步骤406：各自适应分区的分区调度器根据分区调度策略在其所分配到的处理器时间内调度所属自适应分区的任务队列中的任务。

如图5所示，是二级调度的时间序列示意图，根据最早截止期限优先调度策略，系统调度器以AS2-AS4-AS1-AS3的顺序调度各自适应分区，并分配相应的处理器时间，每个自适应分区在分配的处理器时间内按自身调度策略调度其任务队列中的任务，其中，t表示任务，AS3自适应分区的分区调度器调度所属任务队列的任务的次序为：t1-t2-t3。

上述步骤405中，系统调度器通过如下方法调度各自适应分区：在自适应分区调度开始后，用当前自适应分区剩余的处理器时间减去本次调度时间内上一个系统时钟中断与当前系统时钟中断的时间差，比较得到的结果是否为零，若是，则当前自适应分区的时间到，转入下一个自适应分区；否则，继续调度当前自适应分区。

在系统运行期间，若有新任务申请加入，则任务接收控制模块会根据系统剩余的处理器计算能力有控制地接收，以确保新任务的加入不会破坏先前任务集的运行，如图6所述，是有新任务申请加入时的流程图，具体操作内容包括：

步骤601：计算申请加入的任务所需的最小处理器计算能力及系统剩余的处理器计算能力；

步骤602：比较所述系统剩余的处理器计算能力是否大于所述申请加入任务所需的最小处理器计算能力，若是，则执行步骤604；否则，执行步骤603；

步骤603：拒绝所述任务加入；

步骤604：允许加入，并将所述任务加入到系统可调度任务集合中。

在系统运行期间，若系统运行期间有任务申请退出，则任务接收控制模块将所述任务加入到所述系统可调度任务集合中。

在系统运行期间，所述系统调度器监测所述系统可调度任务集合中是否有任务加入或者申请退出，若监测到有任务加入或者申请退出，则在当前系统调度周期结束后执行如下步骤：

步骤(1)：判断系统可调度任务集合中当前任务是新加入的任务还是申请退出的任务，若是新加入的任务，则执行步骤(2)；若是申请退出的任务，则执行步骤(3)；

步骤(2)：根据所述任务的类型查找自适应分区模块中是否有与之相匹配的已初始化的自适应分区，若是，则将所述任务加入到相应自适应分区的任务队列中，转入步骤402执行；否则，为所述任务初始化一个新的自适应分区，并为所述新的自适应分区生成唯一标识符，将所述任务加入到所述新的自适应分区的任务队列中，转入步骤402执行；

步骤(3)：删除所述任务，并检查各自适应分区的任务队列是否为空，若是，则删除相应的自适应分区，转入步骤402执行；否则，直接转入步骤402执行。

本发明可以在保证嵌入式实时操作系统可靠安全运行的前提下，支持多种类型任务共存，并可利用剩余计算资源进行系统扩充，可有效延长嵌入式实时系统的运行生命周期。

Claims (7)

1.一种嵌入式操作系统的任务调度装置，包括系统调度器和系统可调度任务集合模块，其特征在于，还包括自适应分区模块，

所述自适应分区模块包括自适应分区、分区调度器以及任务队列，每个自适应分区均具有一个分区调度器和一个任务队列，所述任务队列用来存储加入的任务；所述分区调度器用于计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力和分区调度周期，并将计算结果发送给所述系统调度器；所述分区调度器还用于按照分区调度策略调度相应任务队列中的任务；

所述系统调度器用于根据所述系统可调度任务集合模块中任务的类型初始化所述自适应分区模块的自适应分区；计算所述各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例，并设置系统调度周期；根据所述比例计算各自适应分区在一个系统调度周期内能够分配到的处理器时间，并将所述时间标记给各自适应分区；以及按照系统调度策略调度各自适应分区；所述系统调度器还用于为每个自适应分区生成唯一的标识符；以及监测所述系统可调度任务集合模块中是否有任务加入或者申请退出，且在监测到有任务加入时，根据所述任务的类型查找所述自适应分区模块中是否有与之相匹配的已初始化的自适应分区，若是，则将所述任务加入到相应自适应分区的任务队列中；否则，为所述任务初始化一个新的自适应分区，将所述任务加入到所述新的自适应分区的任务队列中；在监测到有任务申请退出时，删除所述任务，并检查各自适应分区的任务队列是否为空，若是，则删除相应的自适应分区；

所述系统可调度任务集合模块用来存储已加入的任务或者申请退出的任务。

2.如权利要求1所述的嵌入式操作系统的任务调度装置，其特征在于，所述装置还包括任务接收控制模块，用于根据系统中剩余处理器计算能力控制任务的加入，并将加入的任务添加到所述系统可调度任务集合模块中；以及在系统运行期间，有任务申请退出时将所述申请退出的任务添加到所述系统可调度集合模块中。

3.一种嵌入式操作系统的任务调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：系统调度器根据系统可调度任务集合中的任务类型初始化自适应分区；为所述各自适应分区生成唯一标识符；

步骤二：所述自适应分区的分区调度器计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力和分区调度周期，并将计算结果发送给所述系统调度器；

步骤三：所述系统调度器根据接收到的各自适应分区所需的最小处理器计算能力计算各自适应分区所需的最小处理器计算能力占处理器计算能力的比例，并根据接收到的各自适应分区的分区调度周期设置系统调度周期；然后根据所述比例计算各自适应分区在一个系统调度周期内能够分配到的处理器时间，并将所述时间标记给各自适应分区；

步骤四：所述系统调度器在系统调度周期内根据系统调度策略调度各自适应分区，并为各自适应分区分配处理器时间，当前调度的自适应分区的分区调度器根据分区调度策略在其所分配到的处理器时间内调度任务队列中的任务；

在系统运行期间，所述系统调度器监测所述系统可调度任务集合中是否有任务加入或者申请退出，若监测到有任务加入或者申请退出，则在当前系统调度周期结束后执行如下步骤：

步骤a：判断系统可调度任务集合中当前任务是新加入的任务还是申请退出的任务，若是新加入的任务，则执行步骤b；若是申请退出的任务，则执行步骤c；

步骤b：根据所述任务的类型查找自适应分区模块中是否有与之相匹配的已初始化的自适应分区，若是，则将所述任务加入到相应自适应分区的任务队列中，转入步骤二执行；否则，为所述任务初始化一个新的自适应分区，并为所述新的自适应分区生成唯一标识符，将所述任务加入到所述新的自适应分区的任务队列中，转入步骤二执行；

步骤c：删除所述任务，并检查各自适应分区的任务队列是否为空，若是，则删除相应的自适应分区，转入步骤二执行；否则，直接转入步骤二执行。

4.如权利要求3所述的嵌入式操作系统的任务调度方法，其特征在于，若系统运行期间有任务申请加入，则任务接收控制模块执行如下操作：

步骤(1)：计算申请加入的任务所需的最小处理器计算能力及系统剩余的处理器计算能力；

步骤(2)：比较所述系统剩余的处理器计算能力是否大于所述申请加入的任务所需的最小处理器计算能力，若是，则执行步骤(3)；否则，拒绝所述任务加入；

步骤(3)：将所述任务加入到系统可调度集合中。

5.如权利要求3所述的嵌入式操作系统的任务调度方法，其特征在于，若系统运行期间有任务申请退出，则任务接收控制模块将所述任务加入到所述系统可调度任务集合中。

6.如权利要求3所述的嵌入式操作系统的任务调度方法，其特征在于，所述步骤四中，所述系统调度器是通过各自适应分区的标识符来调度各自适应分区的。

7.如权利要求3所述的嵌入式操作系统的任务调度方法，其特征在于，所述步骤二中，所述自适应分区的分区调度器是根据其所属的自适应分区所辖任务的类型及运行参数计算其所属自适应分区所需的最小处理器计算能力及分区调度周期的。

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