CN103984596B - 一种星载软件的调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种星载软件的调度方法及装置，该方法包括：1）设置实时时钟，通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号；2）设立系统任务进程，在所述周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行，其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级；3）设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行。本发明利用硬件时间片提供准确的时钟周期信号，保证了周期任务进程的周期准确性以及实时性；实现周期任务进程的并发运行，提高了CPU利用率。

Description

一种星载软件的调度方法及装置

技术领域

本发明涉及星载软件调度技术领域，尤其涉及一种应用于集中式管理方式的微小卫星嵌入式星载软件上的调度方法及装置。

背景技术

卫星的星载软件是实现卫星功能的重要部分。随着卫星功能的日益增加，星载软件的功能和规模也日益扩大，因此建立可靠的星载软件调度机制以提高嵌入式计算机系统CPU的利用率尤为重要。

目前存在的嵌入式星载软件调度机制主要有：循环调度、混合调度以及全周期调度。

循环调度机制：其调度方式没有固定的周期，软件运行完一周期后紧接着运行下一周期，每一周期的占用时间随该周期任务内容的多少而不同。但该调度机制不能应付具有周期性控制和周期性响应工程需要的场合，尤其对周期控制的能力较弱。

混合调度机制：其调度方式为周期任务和非周期任务同时存在。但该调度机制使得非周期调度的任务存在得不到及时响应的问题，不适用于星载软件的高实时性要求。

全周期调度机制：所有软件进程按照预设的优先级和规定的周期进行全周期调度运行。但由于某些进程在请求外部数据过程中会引入等待，在等待的过程中CPU相当于“空转”，这无疑对宝贵的CPU资源造成了浪费；在等待时间较长无法忍受时，若采用拆分进程的方式将时间空出等待外部数据，不但等待时间难以掌控，又会增加进程间的数据耦合，不利于软件的独立性。

因此需要提供新的星载软件调度机制，以保证周期任务进程的实时性，增加周期任务进程的并发性，提高CPU利用率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种星载软件的调度方法及装置，在硬件系统提供周期时钟的基础上，利用操作系统的进程延迟让权机制，实现周期调度进程之间的并发执行，以提高嵌入式计算机系统的CPU利用率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种星载软件的调度方法，包括如下步骤：1）设置实时时钟，通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号；2）设立系统任务进程，在所述周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行，其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级；3）设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行。

步骤3）进一步包括：判断所有所述周期任务进程中是否有外部端口数据请求并对返回的数据需要等待一预设阈值时间的周期任务进程，若有，则在请求完毕后调用任务延迟系统函数对该周期任务进程进行任务延迟让权，以释放其它周期任务进程运行。

所述调度方法进一步采用VxWorks操作系统，所述任务延迟系统函数为taskdalay(nticks)，nticks的取值为所需要等待的时钟信号数目。

步骤3）之后进一步包括：4）设立一非周期任务进程，利用所有所述周期任务进程的空余时间释放所述非周期性任务进程，其中，所述非周期任务进程的调度优先级低于所有所述周期任务进程，但所述非周期任务进程的调度优先级高于操作系统空闲进程的调度优先级。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种星载软件的调度装置，包括时钟模块、系统任务进程模块以及周期任务进程模块；所述时钟模块，用于设置实时时钟以通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号；所述系统任务进程模块与所述时钟模块相连，用于设立系统任务进程，在所述时钟模块的周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行，其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级；所述周期任务进程模块与所述系统任务进程模块相连，用于设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程模块的系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行。

本发明的优点在于：

1）利用硬件时间片提供准确的时钟周期信号，保证了周期任务进程的周期准确性以及实时性；

2）利用VxWorks操作系统提供的延迟让权机制，实现周期任务进程的并发运行，使得低优先级的进程可以利用高优先级进程的“空闲”时间，提高了CPU利用率；

3）设置对实时性要求不敏感的非周期任务进程，利用周期任务的空余时间，完成非周期性任务，进一步提高了CPU的利用率。

附图说明

图1，本发明所述的星载软件调度方法的流程图；

图2，本发明所述的星载软件调度装置的示意图；

图3，本发明一实施例所示调度方法的流程图；

图4为图3所示调度方法的进程运行时序示意图；

图5，本发明另一实施例所示调度方法的流程图；

图6为图5所示调度方法的进程运行时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的星载软件的调度方法及装置的具体实施方式做详细说明。

参考附图1，本发明所述的星载软件调度方法的流程图，以下对附图1所示步骤做详细说明。

S11：设置实时时钟，通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号。

通过设置实时时钟，利用硬件时间片提供准确的时钟周期信号（即周期调度硬件信号），保证了周期任务进程运行的周期准确性，同时通过硬件保证了周期任务进程运行的实时性。

S12：设立系统任务进程，在所述周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行。

其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级。系统任务进程负责所有任务进程的管理工作，并且在所有任务进程中具有最高优先级；并且系统任务进程不使用延迟让权，即保证系统任务进程在一个时钟周期的开始优先运行完毕。在实时时钟提供的周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，在处理该信号的中断处理程序中，即一个时钟周期开始时释放所设立的系统任务进程运行。

S13：设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行。

默认情况下，各周期任务进程按照所设立的优先级运行。由于某些进程在请求外部数据过程中会引入等待，在等待的过程中CPU相当于“空转”，这无疑对宝贵的CPU资源造成了浪费。因此，本发明步骤S13进一步包括：判断所有所述周期任务进程中是否有外部端口数据请求并对返回的数据需要等待一预设阈值时间的周期任务进程；若有，则在请求完毕后调用任务延迟系统函数对该周期任务进程进行任务延迟让权，以释放其它周期任务进程运行；若没有请求外部数据过程、或引入等待时间没有达到预设阈值时间的周期任务进程，则按照所设立的优先级运行。其中，预设阈值时间的确定由具体的任务而定。

优选的，本发明所述调度方法进一步采用VxWorks操作系统，所述任务延迟系统函数为taskdalay(nticks)，nticks的取值为所需要等待的时钟信号（ticks）数目。也即，taskdalay(nticks) 使调用该函数的周期任务进程延时n个tick，在延时的时间内主动放弃CPU，使得在这段时间内其它周期任务进程得以运行。利用VxWorks操作系统提供的延迟让权机制，实现周期任务进程的并发运行，使得低优先级的进程可以利用高优先级进程的“空闲”时间，提高了CPU利用率。

S14：设立一非周期任务进程，利用所有所述周期任务进程的空余时间释放所述非周期性任务进程。

其中，所述非周期任务进程的调度优先级低于所有所述周期任务进程，但所述非周期任务进程的调度优先级高于操作系统空闲进程的调度优先级。设置对实时性要求不敏感的低优先级非周期任务进程，利用周期任务进程的空余时间，完成非周期性任务，进一步提高了CPU的利用率。

参考附图2，本发明所述星载软件调度装置的示意图。所述调度装置包括时钟模块21、系统任务进程模块22以及周期任务进程模块23。

所述时钟模块21，用于设置实时时钟以通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号。所述系统任务进程模块22与所述时钟模块21相连，用于设立系统任务进程，在所述时钟模块21的周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行；其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级。所述周期任务进程模块23与所述系统任务进程模块22相连，用于设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程模块22的系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行。

默认情况下，各周期任务进程按照所设立的优先级运行。由于某些进程在请求外部数据过程中会引入等待，在等待的过程中CPU相当于“空转”，这无疑对宝贵的CPU资源造成了浪费。因此本发明所述调度装置中，所述周期任务进程模块23进一步包括一判断单元231以及一延迟让权单元232：所述判断单元231用于判断所有所述周期任务进程中是否有外部端口数据请求并对返回的数据需要等待一预设阈值时间的周期任务进程，若有，则在请求完毕后调用延迟让权单元232；若没有请求外部数据过程、或引入等待时间没有达到预设阈值时间的周期任务进程，则按照所设立的优先级运行。所述延迟让权单元232与所述判断单元231相连，用于调用任务延迟系统函数对相应周期任务进程进行任务延迟让权，以释放其它周期任务进程运行。其中，预设阈值时间的确定由具体的任务而定。优选的，本发明所述调度装置进一步采用VxWorks操作系统，所述任务延迟系统函数为taskdalay(nticks)，nticks的取值为所需要等待的时钟信号数目。利用VxWorks操作系统提供的延迟让权机制，实现周期任务进程的并发运行，使得低优先级的进程可以利用高优先级进程的“空闲”时间，提高了CPU利用率。

作为优选的实施方式，所述调度装置进一步包括非周期任务进程模块24：所述非周期任务进程模块24与所述周期任务进程模块23相连，用于设立一非周期任务进程，利用所有所述周期任务进程的空余时间释放所述非周期性任务进程。其中，所述非周期任务进程的调度优先级低于所有所述周期任务进程，但所述非周期任务进程的调度优先级高于操作系统空闲进程的调度优先级。通过所述非周期任务进程模块24设置对实时性要求不敏感的低优先级非周期任务进程，利用周期任务进程的空余时间，完成非周期性任务，进一步提高了CPU的利用率。

以下结合附图3-6给出本发明的多个实施例，以对本发明作进一步说明。

首先结合图3-4给出本发明的一实施例，该实施例是基于硬件时间片的周期调度，没有任务使用延迟让权机制。其中，图3为调度方法的流程示意图，图4为图3所示调度方法的进程运行时序示意图。

具体为：上电初始化，设置硬件时钟的时钟中断间隔作为软件周期，该步骤在上电/复位时执行一次。以下步骤在时间片中断后循环往复执行：时钟周期到，产生信号触发中断；在处理中断服务例程Time-ISR时，释放系统任务Semgive（semID-SYS）；系统任务sysTask运行完毕后，由系统任务循环释放应用任务Semgive（semID-APPi），从而按照默认情况下各周期应用任务的优先级从高到低运行，如图所示周期应用任务PeriodTask-1~周期应用任务PeriodTask-N。其中，周期应用任务PeriodTask-2（简称T2）请求外部端口数据并对返回的数据需要等待一预设阈值时间，即含空等待时间，但并不执行延迟让权机制。对应的进程运行时序示意图如图4所示，其中图4横轴为CPU时间，纵轴为优先级高低。周期应用任务T1至TN都设有一个调度优先级，即从优先级最高的T1至优先级最低的TN，在周期应用任务运行时，即便周期应用任务T2含空等待，各周期应用任务仍然按照所设置的优先级运行。

接下来结合图5-6给出本发明的另一实施例，该实施例是基于硬件时间片的混合周期调度，使用任务延迟让权机制。其中，图5为调度方法的流程示意图，图6为图5所示调度方法的进程运行时序示意图。

具体为：上电初始化，设置硬件时钟的时钟中断间隔作为软件周期，该步骤在上电/复位时执行一次；以下步骤在时间片中断后循环往复执行：时钟周期到，产生信号触发中断；在处理中断服务例程Time-ISR时，释放系统任务Semgive（semID-SYS）；系统任务sysTask运行完毕后，由系统任务循环释放应用任务Semgive（semID-APPi），从而按照各周期应用任务的优先级从高到低运行，如图所示周期应用任务PeriodTask-1~周期应用任务PeriodTask-N；并在周期应用任务的空余时间释放非周期应用任务NonePPeriodTask（TS）的运行。其中，周期应用任务PeriodTask-2（简称T2）请求外部端口数据并对返回的数据需要等待一预设阈值时间，即含空等待时间，并使用了延迟让权机制。对应的任务运行时序图如图6所示，其中图6横轴为CPU时间，纵轴为优先级高低。周期应用任务T1至TN都设有一个调度优先级，非周期应用任务TS在周期应用任务的空余时间被释放。

比较图4与图6可以看出，图6所示时序图中周期应用任务T2采用了延迟让权机制，即周期应用任务T2是有外部端口数据请求并对返回的数据需要等待一个可观时间的任务，在请求完毕后调用任务延迟系统函数taskdalay(nticks)，nticks的取值为所需要等待的ticks数目。T3_1在T2_1至T2_2的主动让权之间运行，为系统节约了T3_1的运行时间，提高了CPU利用率。

使用延迟让权机制的程序结构框架如下：

Task_i（UINT8 taskID）

{

While(TRUE)

{

semtake(semID,WAIT_FOREVER);

DO

{

数据请求

}

taskdelay(nticks);

DO

{

数据接收、处理

}

}

}。

图5-6所示实施例中增加了非周期应用任务TS，TS在周期应用任务的空余时间被释放，进一步提高了CPU利用率。

周期与非周期任务的程序结构框架如下：

Task_i（UINT8 taskID）

{

While(TRUE)

{

semtake(semID,WAIT_FOREVER);

DO

{

任务

}

}

}。

本发明在硬件系统提供周期时钟的基础上，通过使用VxWorks操作系统提供的延迟让权机制，增加了周期任务进程的并发性，同时设置低优先级的非周期进程，可以利用周期进程的空余时间做实时性要求不高的任务，进一步提高了嵌入式计算机系统的CPU利用率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种星载软件的调度方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)设置实时时钟，通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号；

2)设立系统任务进程，在所述周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行，其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级；

3)设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行；

步骤3)之后进一步包括：

4)设立一非周期任务进程，利用所有所述周期任务进程的空余时间释放所述非周期性任务进程，其中，所述非周期任务进程的调度优先级低于所有所述周期任务进程，但所述非周期任务进程的调度优先级高于操作系统空闲进程的调度优先级。

2.根据权利要求1所述的星载软件的调度方法，其特征在于，步骤3)进一步包括：判断所有所述周期任务进程中是否有外部端口数据请求并对返回的数据需要等待一预设阈值时间的周期任务进程，若有，则在请求完毕后调用任务延迟系统函数对该周期任务进程进行任务延迟让权，以释放其它周期任务进程运行。

3.根据权利要求2所述的星载软件的调度方法，其特征在于，所述调度方法进一步采用VxWorks操作系统，所述任务延迟系统函数为taskdalay(nticks)，nticks的取值为所需要等待的时钟信号数目。

4.一种星载软件的调度装置，其特征在于，包括时钟模块、系统任务进程模块以及周期任务进程模块；

所述时钟模块，用于设置实时时钟以通过所述实时时钟提供周期调度硬件信号；

所述系统任务进程模块与所述时钟模块相连，用于设立系统任务进程，在所述时钟模块的周期调度硬件信号有效时触发时钟周期中断，并释放所述系统任务进程运行，其中，所述系统任务进程在所有任务进程中具有最高优先级；

所述周期任务进程模块与所述系统任务进程模块相连，用于设立多个周期任务进程并为每一所述周期任务进程设立一调度优先级，在所述系统任务进程模块的系统任务进程运行完毕后由所述系统任务进程根据调度优先级循环释放所有所述周期任务进程运行；

所述调度装置进一步包括非周期任务进程模块：

所述非周期任务进程模块与所述周期任务进程模块相连，用于设立一非周期任务进程，利用所有所述周期任务进程的空余时间释放所述非周期性任务进程，其中，所述非周期任务进程的调度优先级低于所有所述周期任务进程，但所述非周期任务进程的调度优先级高于操作系统空闲进程的调度优先级。

5.根据权利要求4所述的星载软件的调度装置，其特征在于，所述周期任务进程模块进一步包括一判断单元以及一延迟让权单元：

所述判断单元用于判断所有所述周期任务进程中是否有外部端口数据请求并对返回的数据需要等待一预设阈值时间的周期任务进程，若有，则在请求完毕后调用延迟让权单元；

所述延迟让权单元与所述判断单元相连，用于调用任务延迟系统函数对相应周期任务进程进行任务延迟让权，以释放其它周期任务进程运行。

6.根据权利要求5所述的星载软件的调度装置，其特征在于，所述调度装置进一步采用VxWorks操作系统，所述任务延迟系统函数为taskdalay(nticks)，nticks的取值为所需要等待的时钟信号数目。