CN101609417A - 基于VxWorks操作系统的混合任务集调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VxWorks操作系统的混合任务集调度方法，主要克服了许多混合调度方法中非周期任务实时性差，CPU利用率低的问题。其步骤为：创建混合任务集并创建一个特殊周期任务，为该特殊周期任务创建一个信号量；进行任务调度前用改进后的时间需求算法判断混合任务集的可调度性；周期任务根据VxWorks所提供的基于优先级的抢占式调度算法进行调度；在特殊周期任务的运行过程中依次判断非周期任务的运行条件，若满足某非周期任务的运行条件则释放相应信号量使该非周期任务运行，该非周期任务运行完毕后释放信号量使特殊周期任务运行。本发明提高了CPU的利用率，减小了调度非周期任务时的响应时间，可用于对非周期任务较多的混合任务集的调度。

Description

基于VxWorks操作系统的混合任务集调度方法

技术领域

本发明属于计算机领域，涉及实时操作系统的任务调度方法，具体涉及了一种基于VxWorks的混合任务集调度方法。

背景技术

VxWorks是美国WindRiver公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统，同时也是现今所有独立于处理器的实时系统中最具特色的操作系统之一。

两种经典的调度方法为Liu C L和Layland J在1973年提出的Rate-Monotonic-RM算法和Earliest Deadline First-EDF算法，参照C L Liu，J W Layland.Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard Real-TimeEnvironment[J].Journal of the Association for ComputingMachinery，1973，20(1)：116～128。RM算法对CPU的利用率不高，且只适用于周期任务集。EDF算法运行开销大，且对任务具有同一优先级的情况考虑不足。所以在这两种算法的基础上，又衍生出一些针对不同系统的不同解决方案。其中对于包含周期和非周期任务的混合任务集的调度主要有三种方法：空闲时间法、后台执行法和轮询法。空闲时间法由Robert Davis在1994年提出，参照RobertDavis.Dual Priority Seheduling：Ameans of Providing Flexibility in Hard Real TimeSystems.DePartment of ComPuter Seienee，University ofYork，Tech ReP：YCS-230，1994：101-122，该算法从周期任务调度的空隙获得时间处理非周期任务，它不能保证非周期任务的实时性要求。后台执行法由J P Lehoczky等人在1987年提出，参照J P Lehoczky，L Sha，J K Stronsnider.Enganced Aperiodic Responsiveness inHard Real Time Environments[C].In：Proc of the 8th IEEE Real Time SystemSymposium.San Jose，California：IEEE Compter Society Press，1987：210～217，该算法对非周期任务的处理时间较少导致其调度性能很差。由T P Baker等人在2005年提出的轮询法，参照T M Ghazalie，T P Baker.A periodic Servers in a DeadlineScheduling Environment[J].Journal ofReal Time Systems，2005，9(1)：31-67，该算法周期性的为非周期任务提供时间片，大大优于后台执行法，但是该方法的最大缺点是：如果在为非周期任务提供的时间片内没有非周期任务执行时，则该时间片将被浪费，降低了CPU的利用率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有调度方法实时性低，运算量大，CPU利用率低的问题，提供一种基于VxWorks操作系统的混合任务集调度方法，以提高CPU利用率，减小调度非周期任务时的响应时间，提高系统实时性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

(1)在操作系统vxworks的编程环境下调用库函数taskSpawn()创建混合任务集中各任务，并设定各任务的优先级，该混合任务集包含若干周期任务、若干非周期任务和一个特殊周期任务，同时为特殊周期任务创建信号量semIdT，信号量semIdT初始值为满；

(2)对创建的混合任务集进行如下可调度性判断：

2a)求出所有非周期任务的最大执行时间和到来的最小周期；

2b)根据最大执行时间和到来的最小周期，计算各任务的最大响应时间：

$t_i^{n+1}=C_i+\underset{{\mathrm{\τ}}_k\∈H_i}{\mathrm{\Σ}}\left[\frac{t_i^n}{T_k}\right]\·C_k+\underset{{\mathrm{\τ}}_j{\∈\mathrm{\ψ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{C}_j^{\′}\·\left[\frac{t_i^n}{T_j^{\′}}\right]$

其中，i表示混合任务集中的一个任务，k表示混合任务集中周期任务的个数，t_i ⁿ⁺¹和t_i ⁿ分别表示迭代到第n+1和第n次时的最大响应时间，H_i表示在时间t_i内优先级高于τ_i并且已就绪的周期任务集，τ_k为H_i中的任务，T_k和C_k分别是τ_k的周期和最大执行时间，ψ_i表示在时间t_i内已就绪的非周期任务集，j表示混合任务集中非周期任务的个数，τ_j为ψ_i中的任务，R_j′和C_j′分别是τ_j的最小周期和最大执行时间。

2c)比较各任务的最大响应时间和任务时限：

t_imax≤T_i(1≤i≤n)

其中，t_imax表示任务τ_i的最大响应时间，T_i表示任务τ_i的时限，若系统中所有任务实例的最大响应时间均小于各自的时限，则系统可调度，否则不可调度；

2d)若任务集不可调度，调整特殊周期任务的周期，跳回步骤2b)；若任务集可调度，在保证可调度性的条件下，根据系统的实时性要求调节特殊周期任务的周期；

(3)对混合任务集中的周期任务进行如下调度：

3a)各个周期任务在每一次运行前调用操作系统中vxworks的库函数taskDelay(T)延迟一段时间，T表示任务被延迟的Tick数；

3b)根据操作系统VxWorks所提供的基于优先级的抢占式调度算法调度所有周期任务；

(4)对混合任务集中的非周期任务进行如下调度：

4a)分别为各个非周期任务创建信号量，初始值为空；

4b)执行特殊周期任务，首先判断是否满足第一个非周期任务设定的运行条件，若满足，则释放第一个非周期任务所对应的信号量使该非周期任务运行，第一个非周期任务运行完毕后将再次阻塞，特殊周期任务将继续往下运行；若不满足，则继续判断下一个非周期任务的运行条件，依次类推，直至判断完所有的条件，然后跳回步骤3a)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明由于在任务调度前先判断了混合任务集的可调度性，从而克服了许多混合调度方法中非周期任务调度性能低的问题，提高CPU的利用率。

(2)本发明由于在混合任务集中创建了一个特殊的周期任务来调度非周期任务，从而减小了调度非周期任务时的响应时间，提高系统的实时性。

附图说明

图1是本发明的实现框图；

图2是本发明中对混合任务集进行可调度性判断的流程图；

图3是本发明中周期任务的调度流程图；

图4是本发明中结合信号量机制的非周期任务调度流程图。

具体实施方式

下面结合附图和程序伪码对本发明的具体实施方式进行详细说明。

在具体实施方式中，使用到的特殊周期任务的伪码为：

void Specialtask

{

     while(1)

     {

           taskDelay(periodT)；

           if(......)

           {

                  semGive(semId[1])；

           }

           else semGive(semIdT)；

           semTake(semIdT，WAIT_FOREVER)；

           if(......)

           {

                  semGive(semId[2])；

           }

           else semGive(semIdT)；

           semTake(semIdT，WAIT_FOREVER)；

           ......；/*other cases*/

      }

}

参见图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，创建任务。

1a)在操作系统vxworks的编程环境下调用库函数taskSpawn()创建混合任务集中各任务，并设定各任务的优先级，该混合任务集包含若干周期任务、若干非周期任务和一个特殊周期任务，函数taskSpawn()的具体调用方式如下：taskSpawn(″task1″，Priority，0，STACK_SIZE，(FUNCPTR)Task1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0)

其中，task1为任务名，Priority为该任务的优先级，STACK_SIZE为任务分配的堆栈大小，Task1为任务函数的入口地址。

对所有任务设置优先级时包括对周期任务和非周期任务优先级的设定，周期任务根据RM算法确定其优先级，即周期越短，优先级越高；非周期任务的优先级高于混合任务集中其它所有任务的优先级，且每一个非周期任务的优先级都相同；

1b)创建特殊周期任务的信号量，特殊周期任务的信号量置为满。

步骤2，对混合任务集进行可调度性检测。

本步骤的具体实现，参照图2如下：

2a)记录各个非周期任务的开始执行的时间和执行完成的时间，求出所有非周期任务的最大执行时间和到来的最小周期；

2b)根据最大执行时间和到来的最小周期，利用改进后的时间需求法计算各任务的最大响应时间，该时间需求法是用于确定周期任务集可调度性的方法，其基本思想是计算各周期任务实例的最大响应时间，并与任务时限相比较，若系统中所有任务实例的最大响应时间均小于各自的时限，则系统可调度，根据下式计算最大响应时间：

$t_i^{n+1}=C_i+{\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\τ}}_k\∈H_i}\left[\frac{t_i^n}{T_k}\right]\·C_k$

其中，t_i ⁿ⁺¹和t_i ⁿ分别表示迭代到第n+1和第n次时的最大响应时间，H_i表示在时间t_i内优先级高于τ_i并且已就绪的周期任务集，τ_k为H_i中的任务，T_k和C_k分别是τ_k的周期和最大执行时间，为使此方法用于本发明中混合任务集的可调度性判断，对计算最大响应时间的方法进行改进：

$t_i^{n+1}=C_i+\underset{{\mathrm{\τ}}_k\∈H_i}{\mathrm{\Σ}}\left[\frac{t_i^n}{T_k}\right]\·C_k+\underset{{\mathrm{\τ}}_j{\∈\mathrm{\ψ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{C}_j^{\′}\·\left[\frac{t_i^n}{T_j^{\′}}\right]$

其中，ψ_i表示在时间ti内已就绪的非周期任务集，j表示混合任务集中非周期任务的个数，τ_j为ψ_i中的任务，T_j′和C_j′分别是τ_j的最小周期和最大执行时间；

2c)将步骤2b)中求出的各个任务的最大响应时间与其任务时限相比较，若所有任务的最大响应时间均小于其任务时限，则系统可调度，否则系统不可调度；

2d)若系统不可调度，适当延长特殊周期任务的周期，再跳到步骤2b)进行判断，循环进行，直到使得特殊周期任务找到一个合适的周期使系统可调度；若系统可调度，在保证系统可调度的条件下，根据实时性要求调整特殊周期任务的周期。

步骤3，对周期任务进行调度。

本步骤的具体实现，参照图3如下：

3a)遍历已经准备就绪的周期任务队列，执行其中优先级最高的周期任务；

3b)调用操作系统vxworks中的库函数taskDelay(T)，使得步骤3a)中开始执行的周期任务延时T个ticks，判断是否延时完毕，若延时完毕，则继续往下执行该周期任务；若延时没有完毕，则跳回步骤3a)；

步骤4，对非周期任务进行调度。

本步骤的具体实现，参照图4如下：

4a)分别为各个非周期任务创建信号量，初始值为空；

4b)执行特殊周期任务，判断是否满足第一个非周期任务设定的运行条件，若满足，则特殊周期任务释放与第一个非周期任务对应的信号量，使其由空变为满，第一个非周期任务获得信号量后开始运行，因其优先级最高，所以不会被任何任务抢占；若不满足，则释放信号量特殊任务对应的信号量semIdT使其由空变为满，即信号量semIdT由不可用变为可用，特殊周期任务获得信号量semIdT，同时semIdT由满变为空，特殊周期任务由断点处继续往下运行；

4c)继续按照步骤4b)的方法继续判断下一个非周期任务，直到判断完第N个周期任务，然后按照步骤3调用周期任务。

Claims (3)

1.一种基于VxWorks操作系统的混合任务集调度方法，包括以下步骤：

(1)在操作系统vxworks的编程环境下调用库函数taskSpawn( )创建混合任务集中各任务，并设定各任务的优先级，该混合任务集包含若干周期任务、若干非周期任务和一个特殊周期任务，同时为特殊周期任务创建信号量semIdT，信号量semIdT初始值为满；

(2)对创建的混合任务集进行如下可调度性判断：

2a)求出所有非周期任务的最大执行时间和到来的最小周期；

2b)根据最大执行时间和到来的最小周期，计算各任务的最大响应时间：

$t_i^{n+1}=C_i+\underset{{\mathrm{\τ}}_k\∈H_i}{\mathrm{\Σ}}[t_i^n/T_k]\·C_k+\underset{{\mathrm{\τ}}_j\∈{\mathrm{\ψ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{C_j}^{\′}\·[t_i^n/{T_j}^{\′}]$

其中，i表示混合任务集中的一个任务，k表示混合任务集中周期任务的个数，t_i ⁿ⁺¹和t_i ⁿ分别表示迭代到第n+1和第n次时的最大响应时间，H_i表示在时间t_i内优先级高于τ_i并且已就绪的周期任务集，τ_k为H_i中的任务，T_k和C_k分别是τ_k的周期和最大执行时间，Ψ_i表示在时间t_i内已就绪的非周期任务集，j表示混合任务集中非周期任务的个数，τ_j为Ψ_i中的任务，T′_j和C′_j分别是τ_j的最小周期和最大执行时间。

2c)比较各任务的最大响应时间和任务时限：

t_imax≤T_i(1≤i≤n)

其中，t_imax表示任务τ_i的最大响应时间，T_i表示任务τ_i的时限，若系统中所有任务实例的最大响应时间t_imax均小于各自的时限T_i，则系统可调度，否则不可调度；

2d)若任务集不可调度，适当延长特殊周期任务的周期，跳回步骤2b)；若任务集可调度，在保证可调度性的条件下，根据系统的实时性要求调节特殊周期任务的周期；

(3)对混合任务集中的周期任务进行如下调度：

3a)各个周期任务在每一次运行前调用操作系统中vxworks的库函数taskDelay(T)延迟一段时间，T表示任务被延迟的Tick数；

3b)根据操作系统VxWorks所提供的基于优先级的抢占式调度算法调度所有周期任务；

(4)对混合任务集中的非周期任务进行如下调度：

4a)分别为各个非周期任务创建信号量，初始值为空；

4b)执行特殊周期任务，首先判断是否满足第一个非周期任务设定的运行条件，若满足，则释放第一个非周期任务所对应的信号量使该非周期任务运行，第一个非周期任务运行完毕后将再次阻塞，特殊周期任务将继续往下运行；若不满足，则继续判断下一个非周期任务的运行条件，依次类推，直至判断完所有的运行条件，然后跳回步骤3。

2.如权利要求1所述的基于VxWorks的混合任务集调度方法，其中步骤(1)中所述的设定各任务的优先级，包括对周期任务和非周期任务优先级的设定，周期任务的优先级是根据Rate-monotonic-RM算法，即周期越短，优先级越高；非周期任务的优先级高于周期任务的优先级，且每一个非周期任务的优先级都相同。

3.如权利要求1所述的基于VxWorks的混合任务集调度方法，其中步骤4b)中所述的当非周期任务运行完毕后，特殊周期任务将继续往下运行，是指从上次运行的断点处继续往下运行。

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