CN111061248A - 一种基于时间片切片的任务调度系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于时间片切片的任务调度系统及方法，该任务调度系统应用于汽车ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)的操作系统，包括：第一运行节点和第二运行节点；所述第一运行节点用于接收外部发送的时间基准；所述第二运行节点用于根据所述时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。能保证系统的实时性，能满足autosar(AUTomotive Open System Architecture汽车开放系统架构)下非复杂驱动所有功能时序的调度精度和实时性，成本低、高效且易于在不同ECU硬件平台上适配部署。

Description

一种基于时间片切片的任务调度系统及方法
技术领域
本发明涉及汽车电子控制技术领域，尤其涉及一种基于时间片切片的任务调度系统及方法。
背景技术
汽车电控技术日新月异，特别是随着汽车五化的推广和深入，汽车电控单元的数量和复杂程序与日俱增。汽车ECU功能越来越复杂，集成度越来越高。
在此发展趋势下，汽车ECU软件越来越庞大，逻辑越来越复杂，汽车ECU系统是一个实时操作系统，而且安全级别要求非常高，绝对不能允许软件运行过程出现消费电子概率比较高的死机、卡机，一个良好、高效、易于在不同终端平台上适配部署的OS(operatingsystem，操作系统)调度系统至关重要。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于时间片切片的任务调度系统及方法，解决现有技术中汽车ECU的OS系统难以适配于不同终端上的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于时间片切片的任务调度系统，所述任务调度系统应用于汽车ECU的操作系统，所述任务调度系统包括：第一运行节点和第二运行节点；
所述第一运行节点用于接收外部发送的时间基准；
所述第二运行节点用于根据所述时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。
一种基于时间片切片的任务调度方法，包括：
接收外部发送的时间基准；
根据所述时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。
本发明的有益效果是：能保证系统的实时性，能满足autosar架构下非复杂驱动所有功能时序的调度精度和实时性，成本低、高效且易于在不同ECU硬件平台上适配部署。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第一运行节点接收的外部发送的所述时间基准由定时器产生。
进一步，所述第二运行节点的数量与所述时间切片的数量对应，各个所述第二运行节点均包括第一运算单元；
所述第一运算单元输入端连接布尔型的控制信号和所述时间基准，输出端输出对所述切片后的时间基准；
各个所述第一运算单元输入端连接的所述布尔型的控制信号的数据和周期根据各个所述切片后的时间基准与所述时间基准的周期之间的比例关系设置。
进一步，所述第二运行节点还包括第二运算单元、第三运算单元和第四运算单元；
所述第二运算单元的输入端连接所述切片后的时间基准，对所述切片后的时间基准取倒后输出；
所述第三运算单元的输入端连接所述时间基准和所述第二运算单元的输出端，对所述第二运算单元的输出端信号取逆后与所述时间基准相乘，输出端连接所述第四运算单元；
所述第四运算单元输入端连接对应的所述切片后时间基准的周期和所述第三运算单元的输出端，判断所述第三运算单元的输出端信号是否大于等于对应的所述切片后时间基准的周期，所述第四运算单元的输出端向所述第一运算单元输出所述布尔型的控制信号。
进一步，所述接收的外部发送的时间基准由定时器产生。
进一步，根据所述时间基准进行时间切片的过程包括：
利用各个布尔型的控制信号分别对所述时间基准进行切片；
各个所述布尔型的控制信号的数据和周期根据各个所述切片后的时间基准与所述时间基准的周期之间的比例关系设置。
进一步，所述布尔型的控制信号的产生过程包括：
对所述切片后的时间基准取倒且取逆后与所述时间基准相乘；
判断相乘后的信号是否大于等于对应的所述切片后时间基准的周期，判断后的输出信号为所述布尔型的控制信号。
采用上述进一步方案的有益效果是:时间片切片调度算法高度隔离，对硬件只依赖一个定时器时基，在任一陌生硬件平台面前，只需要一个定时器就可以适配本发明中的Os时间片操作系统，扩展衍生快；采用了显性的嵌入式软件设计，规避了类似UCOS时间片内核的任务排序指针链表，简单易懂，规避了对指针链表不熟悉但要移植OS出错的发生和降低移植、应用门槛。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度系统的实施例的结构框图；
图2为本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度系统的实施例的使用示意图；
图3为本发明提供的一种任务调度系统的实施例中第二运行节点的结构示意图；
图4为本发明提供的时间片系统SIMULINK模型配置生成定制嵌入式软件的配置截图；
图5为本发明提供的由SIMULINK模型生成的时间片OS系统的源代码截图；
图6为本发明提供的获取硬件时间基准的作用域和计时方法的源代码截图；
图7为本发明提供的将时间片OS系统源代码集成到S32K144芯片的嵌入式软件工程中的源代码截图；
图8为本发明提供的在各个时基中增加功能任务调度的源代码截图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一运行节点，2、第二运行节点，201、第一运算单元，202、第二运算单元，203、第三运算单元，204、第四运算单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示为本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度系统的实施例的结构框图，如图2所示为本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度系统的实施例的使用示意图。
任务调度系统应用于汽车ECU的操作系统，该任务调度系统包括：第一运行节点1和第二运行节点2。
第一运行节点1用于接收外部发送的时间基准。
第二运行节点2用于根据时间基准进行时间切片，提供各个时间切片对应的不同时间基准的任务调度接口。
功能软件参考AUTOSAR架构搭建，软件功能在时间片切片系统下，设计成基于时间和基于事情的软件结构，并且是分步骤流程执行。
其中，提供的任务调度接口的各个时间基准可以根据实际需要设定，图1给出的实施例中包含两个第二运行节点，图2给出的实施例中，给出的切片后的时间基准包括：10ms、20ms、50ms、100ms、200ms、500ms和1000ms。
本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度系统的实施例，能保证系统的实时性，能满足autosar架构下非复杂驱动所有功能时序的调度精度和实时性，成本低、高效且易于在不同ECU硬件平台上适配部署。可以支持在不同硬件平台上快速移植、适配、应用；移植适配时不需要修改很多，只需要确认跟编译器相关的数据类型即可；该任务调度系统开发生成符合MISRAC的代码后都不用再次修改，完整移植应用，用户只需要在各个时基的调度任务中增加各自的任务API即可零门槛应用。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度系统的实施例，该任务调度系统的实施例包括：第一运行节点1和第二运行节点2。
第一运行节点1用于接收外部发送的时间基准。
进一步的，第一运行节点1接收的外部发送的时间基准由定时器产生。
任务调度系统是基于时间触发的，OS的时基是由硬件定时器触发和计数的，基于时间的触发调度任务执行，可以保证实时性，即使任务执行时间发生变化，也能在下一个任务周期自动调整以保证任务周期的稳定性。
具体的，时间片系统所依赖的时基由面向对象硬件的硬件定时器产生和支持。所以面对一个陌生硬件平台，首先需要开发一个定时器中断计时。以定义定时器定时周期为1ms为例，Os计时内存定义为SysTick，数据类型为UINT32，最大计数数值为4294967295。4294967295/1000/3600/24≈49.71天，也就是说，此时间片Os系统可以支持汽车ECU 24小时连续不下电运行49.71天才会导致计时溢出，足够支持和保证时间片系统中的各个时间不会溢出和出错。并且在无符号数自由溢出之后，采用相对比较的方式，仍能保证时间片系统的切片准确性，保证Os的正确性和准确性。在开发好面向对象硬件的定时器后，在定时器中断中给Os计时时基计数。
本发明给出的实施例中，当前实际应用的硬件平台是NXP公司的S32K144芯片，IDE为NXP公司的S32 Design Studio for ARM Version 2018.R1。开发定时器为MCU的M4内核的SysTick中断。
第二运行节点2用于根据时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。
如图3所示为本发明提供的一种任务调度系统的实施例中第二运行节点的结构示意图，图3给出的实施例中，切片后的时间基准的周期为200ms,各个不同周期的切片后的时间基准的第二运行节点结构均与图3给出的实施例相同，并行连接后输入端与时间基准连接，由图3可知，第二运行节点2的数量与时间切片的数量对应，各个第二运行节点2均包括第一运算单元201、第二运算单元202、第三运算单元203和第四运算单元204。
第一运算单元201输入端连接布尔型的控制信号和时间基准，输出端输出对切片后的时间基准。
各个第一运算单元201输入端连接的布尔型的控制信号的数据和周期根据各个切片后的时间基准与时间基准的周期之间的比例关系设置。
第二运算单元202的输入端连接切片后的时间基准，对切片后的时间基准取倒后输出。
第三运算单元203的输入端连接时间基准和第二运算单元202的输出端，对第二运算单元202的输出端信号取逆后与时间基准相乘，输出端连接第四运算单元204。
第四运算单元204输入端连接对应的切片后时间基准的周期和第三运算单元203的输出端，判断第三运算单元203的输出端信号是否大于等于对应的切片后时间基准的周期，第四运算单元204的输出端向第一运算单元输出布尔型的控制信号。
将定制生成的Os嵌入式软件集成到面向对象的硬件的嵌入式软件中，集成编译OK。用户可以在各个时基中增加自己的功能任务调度即可。进而可以在线进行软件调试开发。
实施例2
本发明提供的实施例2为本发明提供的一种基于时间片切片的任务调度方法的实施例，该方法的实施例包括：
接收外部发送的时间基准。进一步的，接收的外部发送的时间基准由定时器产生。
根据时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。
进一步的，时间基准进行时间切片的过程包括：利用各个布尔型的控制信号分别对时间基准进行切片。各个布尔型的控制信号的数据和周期根据各个切片后的时间基准与时间基准的周期之间的比例关系设置。
布尔型的控制信号的产生过程包括：对切片后的时间基准取倒且取逆后与时间基准相乘；判断相乘后的信号是否大于等于对应的切片后时间基准的周期，判断后的输出信号为布尔型的控制信号。
实施例3
本发明提供的实施例3为本发明提供的一种时间片切片的任务调度系统的软件设计方法的实施例，该实施例包括如下步骤：
一、开发基于SIMULINK模型开发时间片任务调度系统；
图2为时间片切片的任务调度系统的理论模型，输入为0s计数时基，输出为各个时基的任务调度接口。
输入声明为：
/*Imported(extern)block signals*/
extern uint32_T SysTick； /*′<Root>/In1′*/
输出在0s_Task中定义和声明为：
extern void Task_5ms(void)；
extern void Task_10ms(void)；
extern void Task_20ms(void)；
extern void Task_50ms(void)；
extern void Task_100ms(void)；
extern void Task_200ms(void)；
extern void Task_500ms(void)；
extern void Task_1000ms(void)；
extern void Task_Background(void)；
二、使用SIMULINK定制生成面向对象硬件的0s代码；
如图3为一个时基的任务调度模型，是基于时间触发的。0s的时基是由硬件定时器触发和计数的，基于时间的触发调度任务执行，可以保证实时性，即使任务执行时间发生变化，也能在下一个任务周期自动调整以保证任务周期的稳定性。设计的其他时基的调度任务，原理一样。
如图4为本发明提供的时间片系统SIMULINK模型配置生成定制嵌入式软件的配置截图，主要关注芯片选型，此处的差异在于不同的芯片的数据类型值域范围定义是不一样的，对应错了会导致UINT32类型错误，导致0S中各个任务时基的计数容易溢出导致错误。
如图5为本发明提供的由SIMULINK模型生成的时间片0S系统源代码截图，源代码文件为0S.c、0S.h、0S_private.h、0S_Task.c、0S_Task.h或0S_Types.h源代码文件，此源代码即构成时间片0S调度系统，可以直接集成使用的实施例的示意图，定制生成符合MISRA C的时间片操作系统的嵌入式代码，此生成的代码符合程序显式设计，简单易懂，规避了指针链表维护出错的问题。
三、开发面向对象硬件的定时器驱动，产生Os时基。
时间片系统所依赖的时基由面向对象硬件的硬件定时器产生和支持。所以面对一个陌生硬件平台，首先需要开发一个定时器中断计时。
定义定时器定时周期为1ms，Os计时内存定义为SysTick，数据类型为UINT32，最大计数数值为4294967295。4294967295/1000/3600/24≈49.71天，也就是说，此时间片Os系统可以支持汽车ECU 24小时连续不下电运行49.71天才会导致计时溢出，足够支持和保证时间片系统中的各个时间不会溢出和出错。并且在无符号数自由溢出之后，采用相对比较的方式，仍能保证时间片系统的切片准确性，保证Os的正确性和准确性。
在开发好面向对象硬件的定时器后，在定时器中断中给Os计时时基计数。
举例说明，如图6所示为本发明提供的获取硬件时间基准的作用域和计时方法的源代码截图，如图，左侧为嵌入式硬件系统时间基础的举例说明，由硬件驱动软件实现；右侧为在硬件时间基准上，时间片OS系统获取时间建准和计时操作(具体为SysTick++)。本发明当前实际应用的硬件平台是NXP公司的S32K144芯片，IDE为NXP官网推荐的S32 DesignStudio for ARM Version 2018.R1。开发定时器为MCU的M4内核的SysTick中断：
Figure BDA0002315695950000091
四、集成应用OS时间片调度系统。
如图7所示为本发明提供的将时间片OS系统源代码集成到S32K144芯片的嵌入式软件工程中的源代码截图，。
如图8所示为本发明提供的在各个时基中增加功能任务调度的源代码截图。集成到S32K144芯片的嵌入式软件工程中后，用户可以在各个时基中增加自己的功能任务调度即可，在OS_Task.c文件中的各个任务中加入任务功能，如图8为在10ms周期性任务voidTask_10ms(void)中加入一些任务函数调用，以实现由时间片调度系统管理的10ms周期性任务调度机制，进而可以在线进行软件调试开发。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于时间片切片的任务调度系统，其特征在于，所述任务调度系统应用于汽车ECU的操作系统，所述任务调度系统包括：第一运行节点和第二运行节点；
所述第一运行节点用于接收外部发送的时间基准；
所述第二运行节点用于根据所述时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。
2.根据权利要求1所述的任务调度系统，其特征在于，所述第一运行节点接收的外部发送的所述时间基准由定时器产生。
3.根据权利要求1所述的任务调度系统，其特征在于，所述第二运行节点的数量与所述时间切片的数量对应，各个所述第二运行节点均包括第一运算单元；
所述第一运算单元输入端连接布尔型的控制信号和所述时间基准，输出端输出对所述切片后的时间基准；
各个所述第一运算单元输入端连接的所述布尔型的控制信号的数据和周期根据各个所述切片后的时间基准与所述时间基准的周期之间的比例关系设置。
4.根据权利要求3所述的任务调度系统，其特征在于，所述第二运行节点还包括第二运算单元、第三运算单元和第四运算单元；
所述第二运算单元的输入端连接所述切片后的时间基准，对所述切片后的时间基准取倒后输出；
所述第三运算单元的输入端连接所述时间基准和所述第二运算单元的输出端，对所述第二运算单元的输出端信号取逆后与所述时间基准相乘，输出端连接所述第四运算单元；
所述第四运算单元输入端连接对应的所述切片后时间基准的周期和所述第三运算单元的输出端，判断所述第三运算单元的输出端信号是否大于等于对应的所述切片后时间基准的周期，所述第四运算单元的输出端向所述第一运算单元输出所述布尔型的控制信号。
5.一种基于时间片切片的任务调度方法，其特征在于，所述任务调度方法包括：
接收外部发送的时间基准；
根据所述时间基准进行时间切片，提供各个切片后的时间基准的任务调度接口。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述接收的外部发送的所述时间基准由定时器产生。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述时间基准进行时间切片的过程包括：
利用各个布尔型的控制信号分别对所述时间基准进行切片；
各个所述布尔型的控制信号的数据和周期根据各个所述切片后的时间基准与所述时间基准的周期之间的比例关系设置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述布尔型的控制信号的产生过程包括：
对所述切片后的时间基准取倒且取逆后与所述时间基准相乘；
判断相乘后的信号是否大于等于对应的所述切片后时间基准的周期，判断后的输出信号为所述布尔型的控制信号。
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