CN106445659B - 一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法 - Google Patents

一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法 Download PDF

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Abstract

一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法，基于优先级抢占、同优先级任务调度策略，在不更改空间飞行器操作系统内核任务调度策略的基础上，实现了周期任务固定时间点启动、周期内任务随机启动以及完全随机任务启动的调度方法。本发明方法在当固定时间点任务不占用CPU时，控制随机任务随时执行，直到任务在固定时间点启动运行，同时支持任务的实时加入和退出，与现有技术相比，能够有效的提高空间飞行器计算机的CPU利用率，使得操作系统不仅能保持原有任务调动策略，还具有良好的复用性、适应性和灵活性，具有很好的适用价值。

Description

一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法
技术领域
本发明涉及一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法，属于嵌入式操作系统领域。
背景技术
在空间飞行器计算机系统软件中，操作系统调度方法大都基于固定时间点对任务进行调度启动执行，以固定的时间长度作为控制周期，在同一个控制周期中，多个任务按顺序调度，任务的启动点和执行时间是预先分配的。上述调度方法要求每个任务必须在一个控制周期的固定时间点进行启动，在分配好的时间内必须执行完成，如果执行超时，则必须停止此任务的运行，即任务按照控制周期周期性运行。随着空间飞行器计算机操作系统越来越复杂，系统中的任务逐渐增多，且执行时间和方式更加多变，型号中出现了新形式的任务运行模式，即在固定周期点启动后，周期内任务随机时间点启动，且对CPU的利用率要求越来越高。因此现有的基于固定时间点的调度方法不能满足当前任务需求，需要提出了一种新的适用于固定周期内随机任务和固定时间点任务的空间飞行器随机任务调度方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法，使得操作系统既能够实现基于控制周期和固定时间点的定时任务调度，又能基于优先级抢占和时间片轮转的随机任务调度。
本发明的技术解决方案是：一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法，包括如下步骤：
(1)将所有用户任务控制块指针定义为一维数组{Task[1]，Task[2]，…，Task[N]}，其中，N为用户任务控制块数目，每个任务控制块均对应一个任务，Taski为第i个用户任务，i＝1,2,3…N；
(2)获取SpaceOS操作系统中的任务创建接口函数OSTaskSpawn()，然后使用任务创建接口函数OSTaskSpawn()创建N个任务控制块，假定第i个任务控制块对应的用户任务的功能函数为Taski()，然后对函数Taski()进行封装，得到封装后能够被SpaceOS操作系统直接调用的函数TaskEni()；
(3)创建第i个用户任务对应的数据结构为Task[i]＝OSTaskSpawn(TaskEni，param1…paramM)，其中，param1、param2、…、paramM为操作系统任务创建接口函数OSTaskSpawn()中的参数，M为整数；
(4)将Task1到TaskX设为固定时间点调度任务，优先级设为A，将TaskX+1到TaskY设为固定周期内随机调度任务，优先级设为B，将TaskY+1到TaskN设为完全随机调度任务，优先级设为C，A<B<C，X、Y均为小于N的正整数且X小于Y，优先级数值越小优先级越高；
(5)获取优先级最高的固定时间点调度任务Task1到TaskX，在一维位图unsignedint Index中设置用户任务Task1到TaskX的任务调度时刻，其中，Index为8*P bit位且每bit位取值为0或1，当Index中第j bit位为1时，表明第j个时间片起始时刻有用户任务的任务调度时刻来临，时间片为SpaceOS操作系统内核计时的最小时间段，每个时间片起始时刻均设有中断，j为整数，P为正整数，用户任务Task1到TaskX中的任一用户任务均对应多个时间片且用户任务Task1到TaskX中的用户任务对应的时间片数目可能不相等；所述的任务调度时刻为对应用户任务包括的第一个时间片的起始时刻；
(6)监测一维位图unsigned int Index中的第k个用户任务的bit位并判断，当时间片中断发生时，时间片个数tick递增1，然后计算(0x1<<tick)&Index是否为0，若为0，则此时间片没有用户任务需要调度，继续监测一维位图unsigned int Index中第k个用户任务的bit位且递增时间片个数tick直至有用户任务需要调度或者第k个用户任务的bit位遍历完成，若为1，则判断第k个用户任务的状态，当为运行态时，调用任务重启动接口函数OSTaskRestart()清空上次第k个用户任务执行产生的数据，并重新启动第k个用户任务，当为挂起态时，则调用任务恢复接口函数OSTaskResume()启动第k个用户任务，在执行第k个用户任务过程中，继续监测一维位图unsigned int Index中第k个用户任务的bit位且递增时间片个数tick直至第k个用户任务的bit位遍历完成，如果第k个用户任务过程在第k个用户任务对应的时间片内执行完成，则将第k个用户任务修改为挂起态，转入步骤(9)，否则将第k个用户任务修改为运行态，其中，k＝1,2,3…X，每个用户任务状态的初始值为挂起态，用户任务执行产生数据的初始值为空；
(7)重复步骤(6)直至一维位图unsigned int Index被遍历，实现将所有用户任务设置为挂起态或者运行态；
(8)将时间片个数tick归零，重复步骤(6)-(7)直至完成固定时间点调度任务Task1到TaskX不再执行，其中，时间片个数tick每归零一次，控制周期计数状态量FixCircleStartCnt递增1，控制周期计数状态量FixCircleStartCnt初始值为0；
(9)顺序判断固定周期内随机调度任务Taskq的状态，如果为挂起态，则顺序执行固定周期内随机调度任务Taskq并存储执行产生的数据，直至步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片用尽后转入步骤(7)；
当固定周期内随机调度任务Taskq在一次步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片执行完成时，将固定周期内随机调度任务Taskq设置为挂起态，然后顺序判断执行下一个固定周期内随机调度任务，若所有的固定周期内随机调度任务Taskq执行完成，则转入步骤(10)；
当固定周期内随机调度任务Taskq在一次步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片未执行完成时，将固定周期内随机调度任务Taskq设置为运行态；
监测步骤(8)中的控制周期计数状态量FixCircleStartCnt，当控制周期计数状态量FixCircleStartCnt为15时，将步骤(8)中的控制周期计数状态量FixCircleStartCnt归零，调用任务重启动接口函数为OSTaskRestart()清空状态为运行态的固定周期内随机调度任务执行产生的数据，并将其状态修改为挂起态，调用任务恢复接口函数为OSTaskResume()重新顺序判断并执行固定周期内随机调度任务Taskq；其中，固定周期内随机调度任务Taskq的初始状态为挂起态，q＝X+1，X+2，X+3，…，TaskY；
(10)调度执行完全随机调度任务TaskY+1到TaskN。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明方法通过支持固定时间点任务、周期内随机任务与完全随机任务的调度执行，与现有技术相比，解决了不能调度执行周期内随机任务和完全随机任务的问题，不仅使任务能够在确定时间段执行，还可以在空闲时间段随机增加任务调度，在保证任务执行高度实时性的同时，增加了空间飞行器计算机CPU的利用率。
附图说明
图1为系统总体任务调度情况；
图2为封装后任务函数TaskEnN()的具体算法；
图3为周期性混成随机任务调度算法。
具体实施方式
本发明提出了一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法，该方法基于优先级抢占、同优先级任务调度策略，在不更改操作系统内核任务调度策略的基础上，实现了周期任务固定时间点启动、周期内任务随机启动和完全随机任务启动调度方法，当其它任务不占用CPU时，任务可随时执行，知道其它任务在固定时间点启动运行。该方法支持任务的实时加入和退出，并且任务具有可配置的处理时间和执行方式，能够有效的提高CPU的利用率，该方法不会对操作系统本身的任务调度策略产生影响，与现有技术相比本发明方法不仅能够满足卫星控制系统的设计需求，还能够满足多种潜在的用户需求，在保持操作系统原有任务调动策略的同时，还具有良好的复用性、适应性和灵活性。
一、方法原理
本发明利用操作系统内核提供的接口函数，采取对任务先挂起后恢复的策略，实现在优先级抢占时间片轮转操作系统中任务的定时调度和随机调度的混合。本发明方法在创建任务时，使所有同类型用户任务具有相同优先级，并在初始时刻让所有用户任务处于挂起状态。在操作系统内核的时间片中断中，根据控制周期中任务需要运行的起始时刻，对处于挂起态的任务进行恢复，使其恢复运行，从而实现任务的定时调度。
本发明方法在系统管理任务中，根据调度标志和超时标志重启任务或者恢复任务，则在非任务调度固定点的空闲时段可随机调度周期内随机任务和完全随机任务执行。
二、设计方案
假设卫星控制计算机中，应用软件需要以T为控制周期,以timeslice为时间片进行任务的调度。软件系统中通常存在三类任务，每个周期内固定时间点运行的任务，每若干个周期运行的任务(但这若干个周期内启动的时间随机)以及随机运行的任务。本方法以六个任务为例，描述周期性混成随机任务调度方法。假设在每个控制周期T＝64ms，时间片timeslice＝4ms，每个周期共16个时间片(tick)，初始时间片计数tick＝0，期间要执行6个任务Task1、Task2、Task3、Task4、Task5、Task6，其中每个任务允许执行时间为T1＝4ms、T2＝24ms、T3＝28ms，T4＝8ms，T5任务每16个控制周期启动一次，但该周期内随机，T6为完全随机任务，系统总体任务调度情况如图1所示。
利用本发明方法实现上述功能如下：
(1)将所有用户任务控制块指针定义为一维数组{Task[1]，Task[2]，…，Task[6]}，其中，每个任务控制块均对应一个任务，Taski为第i个用户任务，i＝1,2,3…6；
(2)获取SpaceOS操作系统中的任务创建接口函数OSTaskSpawn()，然后使用任务创建接口函数OSTaskSpawn()创建6个任务控制块，假定第i个用户任务的功能函数为Taski()，然后对函数Taski()进行封装，得到封装后能够被SpaceOS操作系统直接调用的函数TaskEni()；
(3)创建第i个用户任务对应任务控制块的数据结构为Task[i]＝OSTaskSpawn(TaskEni，param1…param4)，其中，param1、param2、…、param4为操作系统任务创建接口函数OSTaskSpawn()中的参数，M为整数，封装后任务函数TaskEnN()的具体算法如图2所示；
(4)将Task1到Task4设为固定时间点调度任务，优先级设为A，将Task5设为固定周期内随机调度任务，优先级设为B，将Task6设为完全随机调度任务，优先级设为C，A<B<C，优先级数值越小优先级越高；
(5)获取优先级最高的固定时间点调度任务Task1到Task4，在一维位图unsignedint Index中设置用户任务Task1到Task4的任务调度时刻，其中，Index为8*Pbit位且每bit位取值为0或1，当Index中第jbit位为1时，表明第j个时间片起始时刻有用户任务的任务调度时刻来临，时间片为SpaceOS操作系统内核计时的最小时间段，每个时间片起始时刻均设有中断，j为整数，P为正整数，用户任务Task1到Task4中的任一用户任务均对应多个时间片且用户任务Task1到Task4中的用户任务对应的时间片数目可能不相等；所述的任务调度时刻为对应用户任务包括的第一个时间片的起始时刻；
(6)监测一维位图unsigned int Index中的第k个用户任务的bit位并判断，当时间片中断发生时，时间片个数tick递增1，然后计算(0x1<<tick)&Index 是否为0，若为0，则此时间片没有用户任务需要调度，继续监测一维位图unsigned int Index中第k个用户任务的bit位且递增时间片个数tick直至有用户任务需要调度或者第k个用户任务的bit位遍历完成，若为1，则判断第k个用户任务的状态，当为运行态时，调用任务重启动接口函数为OSTaskRestart()清空上次第k个用户任务执行产生的数据，并重新启动第k个用户任务，当为挂起态时，则调用任务恢复接口函数为OSTaskResume()启动第k个用户任务，在执行第k个用户任务过程中，继续监测一维位图unsigned int Index中第k个用户任务的bit位且递增时间片个数tick直至第k个用户任务的bit位遍历完成，如果第k个用户任务过程在第k个用户任务对应的时间片内执行完成，则将第k个用户任务修改为挂起态，转入步骤(9)，否则将第k个用户任务修改为运行态，其中，k的初始值为1，每个用户任务状态的初始值为挂起态，用户任务执行产生数据的初始值为空；
(7)重复步骤(6)直至一维位图unsigned int Index被遍历，实现将所有用户任务设置为挂起态或者运行态；
(8)将时间片个数tick归零，重复步骤(6)-(7)直至完成固定时间点调度任务Task1到Task4不再执行，其中，时间片个数tick每归零一次，控制周期计数状态量FixCircleStartCnt递增1，控制周期计数状态量FixCircleStartCnt初始值为0；
(9)顺序判断固定周期内随机调度任务Taskq的状态，如果为挂起态，则顺序执行固定周期内随机调度任务Taskq并存储执行产生的数据，直至步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片用尽后转入步骤(7)；
当固定周期内随机调度任务Task5在一次步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片执行完成时，将固定周期内随机调度任务Task4设置为挂起态，然后顺序判断执行下一个固定周期内随机调度任务，若固定周期内随机调度任务Task5执行完成，则转入步骤(10)；
当固定周期内随机调度任务Task5在一次步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片未执行完成时，将固定周期内随机调度任务Task5设置为运行态；
监测步骤(8)中的控制周期计数状态量FixCircleStartCnt，当控制周期计数状态量FixCircleStartCnt为15时，将步骤(8)中的控制周期计数状态量FixCircleStartCnt归零，调用任务重启动接口函数为OSTaskRestart()清空状态为运行态的固定周期内随机调度任务执行产生的数据，并将其状态修改为挂起态，调用任务恢复接口函数为OSTaskResume()重新顺序判断并执行固定周期内随机调度任务Task5；其中，固定周期内随机调度任务Task5的初始状态为挂起态；
(10)调度执行完全随机调度任务Task6，本发明周期性混成随机任务调度算法如图3所示。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种空间飞行器周期性混成随机任务调度方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将所有用户任务控制块指针定义为一维数组{Task[1]，Task[2]，…，Task[N]}，其中，N为用户任务控制块数目，每个任务控制块均对应一个任务，Taski为第i个用户任务，i＝1,2,3…N；
(2)获取SpaceOS操作系统中的任务创建接口函数OSTaskSpawn()，然后使用任务创建接口函数OSTaskSpawn()创建N个任务控制块，假定第i个任务控制块对应的用户任务的功能函数为Taski()，然后对函数Taski()进行封装，得到封装后能够被SpaceOS操作系统直接调用的函数TaskEni()；
(3)创建第i个用户任务对应的数据结构为Task[i]＝OSTaskSpawn(TaskEni，param1…paramM)，其中，param1、param2、…、paramM为操作系统任务创建接口函数OSTaskSpawn()中的参数，M为整数；
(4)将Task1到TaskX设为固定时间点调度任务，优先级设为A，将TaskX+1到TaskY设为固定周期内随机调度任务，优先级设为B，将TaskY+1到TaskN设为完全随机调度任务，优先级设为C，A<B<C，X、Y均为小于N的正整数且X小于Y，优先级数值越小优先级越高；
(5)获取优先级最高的固定时间点调度任务Task1到TaskX，在一维位图unsigned intIndex中设置用户任务Task1到TaskX的任务调度时刻，其中，Index为8*P bit位且每bit位取值为0或1，当Index中第j bit位为1时，表明第j个时间片起始时刻有用户任务的任务调度时刻来临，时间片为SpaceOS操作系统内核计时的最小时间段，每个时间片起始时刻均设有中断，j为整数，P为正整数，用户任务Task1到TaskX中的任一用户任务均对应多个时间片且用户任务Task1到TaskX中的用户任务对应的时间片数目可能不相等；所述的任务调度时刻为对应用户任务包括的第一个时间片的起始时刻；
(6)监测一维位图unsigned int Index中的第k个用户任务的bit位并判断，当时间片中断发生时，时间片个数tick递增1，然后计算(0x1<<tick)&Index是否为0，若为0，则此时间片没有用户任务需要调度，继续监测一维位图unsigned int Index中第k个用户任务的bit位且递增时间片个数tick直至第k个用户任务的bit位遍历完成，若为1，则判断第k个用户任务的状态，当为运行态时，调用任务重启动接口函数OSTaskRestart()清空上次第k个用户任务执行产生的数据，并重新启动第k个用户任务，当为挂起态时，则调用任务恢复接口函数OSTaskResume()启动第k个用户任务，在执行第k个用户任务过程中，继续监测一维位图unsigned int Index中第k个用户任务的bit位且递增时间片个数tick直至第k个用户任务的bit位遍历完成，如果第k个用户任务过程在第k个用户任务对应的时间片内执行完成，则将第k个用户任务修改为挂起态，转入步骤(9)，否则将第k个用户任务修改为运行态，其中，k＝1,2,3…X，每个用户任务状态的初始值为挂起态，用户任务执行产生数据的初始值为空；
(7)重复步骤(6)直至一维位图unsigned int Index被遍历，实现将所有用户任务设置为挂起态或者运行态；
(8)将时间片个数tick归零，重复步骤(6)-(7)直至完成固定时间点调度任务Task1到TaskX不再执行，其中，时间片个数tick每归零一次，控制周期计数状态量FixCircleStartCnt递增1，控制周期计数状态量FixCircleStartCnt初始值为0；
(9)顺序判断固定周期内随机调度任务Taskq的状态，如果为挂起态，则顺序执行固定周期内随机调度任务Taskq并存储执行产生的数据，直至步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片用尽后转入步骤(7)；
当固定周期内随机调度任务Taskq在一次步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片执行完成时，将固定周期内随机调度任务Taskq设置为挂起态，然后顺序判断执行下一个固定周期内随机调度任务，若所有的固定周期内随机调度任务Taskq执行完成，则转入步骤(10)；
当固定周期内随机调度任务Taskq在一次步骤(6)中第k个用户任务对应的时间片未执行完成时，将固定周期内随机调度任务Taskq设置为运行态；
监测步骤(8)中的控制周期计数状态量FixCircleStartCnt，当控制周期计数状态量FixCircleStartCnt为15时，将步骤(8)中的控制周期计数状态量FixCircleStartCnt归零，调用任务重启动接口函数为OSTaskRestart()清空状态为运行态的固定周期内随机调度任务执行产生的数据，并将其状态修改为挂起态，调用任务恢复接口函数为OSTaskResume()重新顺序判断并执行固定周期内随机调度任务Taskq；其中，固定周期内随机调度任务Taskq的初始状态为挂起态，q＝X+1，X+2，X+3，…，TaskY；
(10)调度执行完全随机调度任务TaskY+1到TaskN。
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