CN104536835B - 一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法 - Google Patents

Abstract

一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法，(1)根据热备份实时系统中各项硬实时任务的特点，将任务分成单周期任务，多周期任务和空闲任务；(2)根据热备份实时系统中控制精度的需要，确定控制周期；判断单周期任务中是否包含交换比对任务，若不包含则额外设计一个交换比对任务，并确定所有任务的运行顺序和优先级；设置各项非空闲任务的启动时间点和截止时间点，并设置时间片的大小；(3)设置多周期任务的最小调度周期和最大调度周期；(4)在控制周期中断和时间片中断中按照步骤(2)确定的运行顺序进行任务调度，并在运行交换比对任务中对热备份实时控制系统中各机的任务调度完成情况进行比对，控制各机同时启动和结束多周期任务。

Description

一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法

技术领域

本发明涉及一种实时系统自适应任务调度方法，特别是热备份实时控制系统中硬实时周期性任务的自适应任务调度方法。

背景技术

实时系统中存在有两大类任务：实时任务和非实时任务。在实时任务中，有些任务有严格的临界时间，这些任务是硬实时任务。硬实时任务包括周期性任务和非周期性任务。硬实时任务调度是实时控制系统的基本问题之一，调度的好坏不仅影响任务的执行情况，而且对系统的整体性能还有很大的影响。热备份系统是基于多模热备份计算的系统，在该系统中多个计算机同步运行，互为备份。控制系统是实时系统的一种，控制系统中的任务多为硬实时任务。本发明是针对热备份实时控制系统中硬实时周期性任务的任务调度方法。

目前，主流的实时系统任务调度算法包括以下2种：

(1)单调速率调度(Rate Monotonic Scheduling，RMS)算法。它是一种静态基于优先级抢占的周期任务调度算法，每个任务的截止时间是周期性的，高优先级任务抢占低优先级任务。

(2)截止期最早先调度(Earliest Deadline First，EDF)算法。该算法规定首先调度截止时间最早的任务。

RMS算法和EDF算法均由Liu和Layland首先提出(C.L.Liu,J.W.Layland.Scheduling algorithms for multiprogrammming in hard realtimeenvironment[J].J of Association for ComputingMachinery.1973,20(1),pp.46-61)。目前绝大多数调度算法都是基于这两种调度算法演化而来。为了提高系统性能及任务的可调度性，D Seto等人针对硬实时周期性任务的调度周期提出一种任务周期选择算法(DSeto,J P Lehoczky,L Sha.Task Period Selection and Schedulability in Real-TimeSystems.Real-Time Systems Symposium,1998.Proceedings.The 19th IEEE)。该算法能够根据给定周期性任务集计算出系统性能最优的任务调度周期集，属于任务调度周期静态调整方法。

以上方法都需要在软件实际运行之前静态指定任务的调度周期，且运行时调度周期固定不变。然而在复杂的运行环境中，任务的运行情况会受到诸多外部因素或事件的影响，任务的实际运行时间会发生变化，一旦任务运行超过预先指定的截止时间，即系统过载(overload)，则可能会导致严重的后果。在实时控制系统中，控制任务通常是硬实时周期性任务，控制任务的调度周期决定了任务的截止时间，如果在一个调度周期内无法完成全部计算，则系统是不可调度的，这不仅会引起系统控制精度降低，严重时甚至会引起系统功能失效。随着现代控制系统功能的扩展，任务的算法复杂度和计算量不断加大，然而硬件运算能力有限，致使任务时间余量不断减小，同时外部运行环境的不确定性也会引起软件额外时间开销，固定不变的调度周期难以解决复杂运行环境中偶发的系统过载问题，系统的可靠性难以保证。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种实时系统硬实时周期性任务的自适应任务调度方法，该方法能够在运行时根据硬实时周期性任务的运算情况在给定范围内自适应动态调整任务的调度周期，提高了实时系统的可调度性和可靠性。

本发明的技术解决方案是：一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法，步骤如下：

(1)根据热备份实时系统中各项硬实时任务的特点，将任务分成单周期任务，多周期任务和空闲任务；所述的单周期任务为每周期在指定的启动时间点开始运行且在当周期截止时间点前必须完成的任务；多周期任务为多个周期启动一次且下一次启动前必须完成的任务；

(2)根据热备份实时系统中控制精度的需要，确定控制周期；判断步骤(1)中的单周期任务中是否包含交换比对任务，若不包含则额外设计一个交换比对任务，并确定所有任务的运行顺序和优先级；设置各项非空闲任务的启动时间点和截止时间点，并设置时间片的大小；

(3)根据多周期任务中任务的运行要求，设置多周期任务的最小调度周期和最大调度周期；

(4)在控制周期中断和时间片中断中按照步骤(2)确定的运行顺序进行任务调度，并在运行交换比对任务中对热备份实时控制系统中各机的任务调度完成情况进行比对，控制各机同时启动和结束多周期任务；其中，对于单周期任务，每个控制周期在启动时间点启动，如果在截止时间点之前任务未完成，则强制停止该任务；对于多周期任务，在启动时间点启动后，如果在最小调度周期对应的截止时间点之前任务已完成，则在最小调度周期后重新启动该任务；如果在最小调度周期之内该任务未完成，则允许该任务继续运行；如果在最大调度周期之内任务完成，则在任务完成时刻所在控制周期重新启动该任务；如果在最大调度周期对应截止时间点任务仍未完成，则强制停止并重新启动该任务，即按照最大调度周期进行周期性调度。

所述步骤(4)具体步骤如下：

(4.1)判断当前控制周期是否为第一个控制周期，若为第一个控制周期，则按照步骤(2)确定的运行顺序及各任务的启动时间点和截止时间点运行单周期任务，所有单周期任务完成后的空闲时间里调度空闲任务；当到达多周期任务的启动时间点时，启动多周期任务；进入下一个控制周期，转步骤(4.2)；

(4.2)按照步骤(2)确定的运行顺序及各任务的启动时间点和截止时间点运行单周期任务，所有单周期任务完成后的空闲时间里，判断多周期任务是否已经完成，若未完成则调度多周期任务，若已完成则调度空闲任务；进入下一个控制周期，转步骤(4.3)；

(4.3)重复步骤(4.2)，并判断在最小调度周期对应的截止时间点之前多周期任务是否已经完成，若完成，则在最小调度周期后，将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新启动该多周期任务；若在最小调度周期对应的截止时间点之前多周期任务未完成，则继续重复步骤(4.2)，判断在最大调度周期对应的截止时间点之前多周期任务是否已经完成，若完成，则将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新启动该多周期任务；若未完成，则强制停止该多周期任务，将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新执行。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)基于固定调度周期的传统实时系统任务调度方法对复杂运行环境的适应力不足，难以面对复杂运行环境中偶发的系统过载问题，系统的可靠性难以保证，严重时甚至会引起系统功能失效。另外，在热备份系统中，多机之间的同步性至关重要，对于变周期调度的系统，必须要使各机上的任务同时启动、同时结束。本发明提供一种热备份实时控制系统中硬实时周期性任务的自适应任务调度方法，该方法能够在运行时根据硬实时周期性任务的实际运行情况在给定范围内自适应动态调整任务的调度周期，并能够使具备自适应任务调度能力的热备份系统中的任务调度保持同步，提高了热备份实时控制系统的可靠性。

(2)本发明针对实时系统硬实时周期任务提供了一种基于优先级的自适应动态调整任务调度周期的方法，使任务的调度周期可以在运行时根据任务运行情况在一定范围内自主动态变化，在外部运行环境复杂、不确定的应用场景中具有更高的适应性，能够提高系统的可调度性和可靠性；

附图说明

图1为典型控制计算机软件结构图；

图2为本发明实施例中任务调度时序示例图；

图3为多周期任务调度同步的流程图。

具体实施方式

一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法，步骤如下：

(1)根据热备份实时系统中各项硬实时任务的特点，将任务分成单周期任务，多周期任务和空闲任务；所述的单周期任务为每周期在指定的启动时间点开始运行且在当周期截止时间点前必须完成的任务；多周期任务为多个周期启动一次且下一次启动前必须完成的任务；

(2)根据热备份实时系统中控制精度的需要，确定控制周期；判断步骤(1)中的单周期任务中是否包含交换比对任务，若不包含则额外设计一个交换比对任务，并确定所有任务的运行顺序和优先级；设置各项非空闲任务的启动时间点和截止时间点，并设置时间片的大小；

(3)根据多周期任务中任务的运行要求，设置多周期任务的最小调度周期和最大调度周期；所述的最小调度周期和最大调度周期的设定均由多周期任务中的具体算法决定，最小调度周期为算法要求的最优调度周期，最大调度周期为算法能够容忍的极限调度周期；

(4)在控制周期中断和时间片中断中按照步骤(2)确定的运行顺序进行任务调度，并在运行交换比对任务中对热备份实时控制系统中各机的任务调度完成情况进行比对，控制各机同时启动和结束多周期任务；其中，对于单周期任务，每个控制周期在启动时间点启动，如果在截止时间点之前任务未完成，则强制停止该任务；对于多周期任务，在启动时间点启动后，如果在最小调度周期对应的截止时间点之前任务已完成，则在最小调度周期后重新启动该任务；如果在最小调度周期之内该任务未完成，则允许该任务继续运行；如果在最大调度周期之内任务完成，则在任务完成时刻所在控制周期重新启动该任务；如果在最大调度周期对应截止时间点任务仍未完成，则强制停止并重新启动该任务，即按照最大调度周期进行周期性调度。所述步骤(4)具体步骤如下：

(4.1)判断当前控制周期是否为第一个控制周期，若为第一个控制周期，则按照步骤(2)确定的运行顺序及各任务的启动时间点和截止时间点运行单周期任务，所有单周期任务完成后的空闲时间里调度空闲任务；当到达多周期任务的启动时间点时，启动多周期任务；进入下一个控制周期，转步骤(4.2)；

(4.2)按照步骤(2)确定的运行顺序及各任务的启动时间点和截止时间点运行单周期任务，所有单周期任务完成后的空闲时间里，判断多周期任务是否已经完成，若未完成则调度多周期任务，若已完成则调度空闲任务；进入下一个控制周期，转步骤(4.3)；

(4.3)重复步骤(4.2)，并判断在最小调度周期对应的截止时间点之前多周期任务是否已经完成，若完成，则在最小调度周期后，将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新启动该多周期任务；若在最小调度周期对应的截止时间点之前多周期任务未完成，则继续重复步骤(4.2)，判断在最大调度周期对应的截止时间点之前多周期任务是否已经完成，若完成，则将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新启动该多周期任务；若未完成，则强制停止该多周期任务，将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新执行。

实施例

(1)制定控制周期的大小、任务、运行顺序、优先级、启动时间点、截止时间点、时间片大小：

如图1所示，为典型热备份控制计算机软件结构图。本发明实施例中的典型实时控制系统由应用程序、空闲任务、中断服务程序、实时操作系统内核和板级支持包组成。其中应用程序按功能分为5个任务：采集任务、交换比对任务、控制任务、系统监测任务和计算任务，控制周期为160ms，时间片大小为10ms。任务在控制周期中的运行顺序、优先级、启动时间点和截止时间点如表1所示。除计算任务为多周期任务外，其余非空闲任务均为单周期任务。

表1

在上表中，由于采集任务、交换比对任务、控制任务和系统监测任务调度周期为单个控制周期，且任务运行时间短，因此设置以上4个任务为高优先级任务；计算任务运行时间长、调度周期大，因此将其设置为低优先级任务；设置操作系统提供的空闲任务为最低优先级任务。

对于单周期任务来说，既有启动时间点，也有截止时间点；对于多周期任务“计算任务”来说，只有启动时间点，任务的截止时间点即为指定调度周期后的启动时间点；空闲任务在操作系统内核启动时启动运行，之后一直保持就绪或运行的状态。

(2)设置系统中多周期任务的最小调度周期及最大调度周期：

计算任务中包含复杂的控制算法，为需要自适应动态调整调度周期的任务；通过对控制算法进行仿真和分析，4秒为最佳的迭代周期，超过5.6秒后算法精度会大幅下降，由于控制周期为0.16秒，所以设置计算任务的最小调度周期为25，最大调度周期为35。

(3)基于操作系统提供的系统调用接口，在控制周期中断和时间片中断中实现自适应任务调度功能，自适应调度的调度规则如下：

a.对于单周期的硬实时任务，每周期在启动时间点启动，如果在截止时间之内任务未完成，则强制停止该任务；

b.对于需要自适应动态调整调度周期的硬实时任务，在启动时间点启动后，如果在最小调度周期对应的截止时间之内任务已完成，则在最小调度周期后重新启动该任务；如果在最小调度周期之内该任务未完成，则允许该任务继续运行；如果在最大调度周期之内任务完成，则在任务完成时刻所在控制周期重新启动该任务；如果在最大调度周期对应截止时间点任务仍未完成，则强制停止并重新启动该任务，即按照最大调度周期进行周期性调度；

如图2所示，为本发明实施例中任务调度时序示例图，自适应调度方法在本实施例中的具体实现方式为：

a.采集任务、交换比对任务、控制任务和系统监测任务分别在控制周期内0ms、10ms、50ms和90ms的时间点启动运行，如果在截止时间点(分别为10ms、50ms、90ms和100ms)仍未完成则强制停止，并启动下一个任务，如果在截止时间点前完成则调度计算任务或空闲任务：

i)如果当前控制周期为软件开始运行的第一个控制周期，前4个任务执行完成后的空闲时间里调度空闲任务；

ii)如果当前控制周期不是软件开始运行的第一个控制周期，则根据计算任务的运行情况进行调度，如果计算任务未运行完，则在前4个任务执行完成后的空闲时间里调度计算任务；如果计算任务已完成本次运行，则调度空闲任务。

b.计算任务在软件开始运行的第一个控制周期的100ms时间点启动运行，在160ms时间点(即第二个控制周期的0ms时间点)暂停运行，切换至任务1运行，随后在前4个任务执行完成后的空闲时间里重新调度运行，并在第2个控制周期的100ms-160ms时间内继续调度运行…若计算任务运行在第26个周期100ms时间点之前完成，则在每个控制周期前4个任务执行完成后的空闲时间和计算任务分配的时间(每个控制周期的100ms-160ms)里调度空闲任务运行；若第26个周期100ms时间点之前计算任务未执行完，则在第26个控制周期的100ms-160ms时间里继续调度计算任务运行；若计算任务在第36个周期100ms时间点之前仍未执行完，则立即重新启动计算任务；若计算任务在第36个周期100ms时间点之前完成(假定完成时间点为第N个控制周期的T时间点)，则在下一个计算任务启动时间点重新启动计算任务：

i)a.26≤N＜36且T≥100ms时，如图2所示，在第N+1个控制周期的100ms时间点重新启动计算任务；

ii)b.26＜N≤36且T＜100ms时，在第N个控制周期的100ms时间点重新启动计算任务；

计算任务重新启动后，继续按照以上步骤中的调度方法调度运行；

c.空闲任务是操作系统提供的默认最低优先级任务，在所有任务均已完成的空闲时间内调度运行。

通过以上自适应任务调度管理，可以将系统空闲时间全部用于计算任务，并根据计算任务的运算时间在4秒到5.6秒之间自适应动态调整计算任务的调度周期，提高了系统的效率、可调度性和可靠性。

(4)对多周期任务的调度进行多机间同步：

如图3所示，为多周期任务调度同步的流程图，具体步骤如下：

a.对多周期任务进行任务封装，在任务运行完成后设置任务完成标志；

b.在多机交换比对任务中交换并比对各机的任务调度完成标志，如果均为完成则设置任务结束允许标志为真；

c.在多周期任务的任务封装中，判断任务结束允许标志，如果为真才真正结束任务本次运行。

通过以上步骤，在步骤(3)中所列任意情况下均能保证各机同时启动和结束计算任务，保证了各机间调度的同步。

发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据热备份实时系统中各项硬实时任务的特点，将任务分成单周期任务，多周期任务和空闲任务；所述的单周期任务为每周期在指定的启动时间点开始运行且在当周期截止时间点前必须完成的任务；多周期任务为多个周期启动一次且下一次启动前必须完成的任务；

(2)根据热备份实时系统中控制精度的需要，确定控制周期；判断步骤(1)中的单周期任务中是否包含交换比对任务，若不包含则额外设计一个交换比对任务，并确定所有任务的运行顺序和优先级；设置各项非空闲任务的启动时间点和截止时间点，并设置时间片的大小；

(3)根据多周期任务中任务的运行要求，设置多周期任务的最小调度周期和最大调度周期；

(4)在控制周期中断和时间片中断中按照步骤(2)确定的运行顺序进行任务调度，并在运行交换比对任务中对热备份实时控制系统中各机的任务调度完成情况进行比对，控制各机同时启动和结束多周期任务；其中，对于单周期任务，每个控制周期在启动时间点启动，如果在截止时间点之前任务未完成，则强制停止该任务；对于多周期任务，在启动时间点启动后，如果在最小调度周期对应的截止时间点之前任务已完成，则在最小调度周期后重新启动该任务；如果在最小调度周期之内该任务未完成，则允许该任务继续运行；如果在最大调度周期之内任务完成，则在任务完成时刻所在控制周期重新启动该任务；如果在最大调度周期对应截止时间点任务仍未完成，则强制停止并重新启动该任务，即按照最大调度周期进行周期性调度。

2.根据权利要求1所述的一种热备份实时控制系统中自适应任务调度方法，其特征在于：所述步骤(4)具体步骤如下：

(4.1)判断当前控制周期是否为第一个控制周期，若为第一个控制周期，则按照步骤(2)确定的运行顺序及各任务的启动时间点和截止时间点运行单周期任务，所有单周期任务完成后的空闲时间里调度空闲任务；当到达多周期任务的启动时间点时，启动多周期任务；进入下一个控制周期，转步骤(4.2)；

(4.2)按照步骤(2)确定的运行顺序及各任务的启动时间点和截止时间点运行单周期任务，所有单周期任务完成后的空闲时间里，判断多周期任务是否已经完成，若未完成则调度多周期任务，若已完成则调度空闲任务；进入下一个控制周期，转步骤(4.3)；

(4.3)重复步骤(4.2)，并判断在最小调度周期对应的截止时间点之前多周期任务是否已经完成，若完成，则在最小调度周期后，将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新启动该多周期任务；若在最小调度周期对应的截止时间点之前多周期任务未完成，则继续重复步骤(4.2)，判断在最大调度周期对应的截止时间点之前多周期任务是否已经完成，若完成，则将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新启动该多周期任务；若未完成，则强制停止该多周期任务，将下一控制周期作为第一个控制周期，转步骤(4.1)重新执行。