CN112579271A - 用于非实时操作系统的实时任务调度方法、模块、终端和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非实时操作系统的实时任务调度方法，包括：提取实时任务；分析定义实时任务关键特性；CPU内核划分为实时和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；根据任务绑定内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用调度机制遵循如下规则：根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；允许高优先级任务打断低优先级任务执行；一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。本发明还公开了一种用于非实时操作系统的实时任务调度模块、终端和存储介质。本发明根据任务类型能规避由于非实时任务正在执行导致实时任务无法及时执行的情况。

Description

用于非实时操作系统的实时任务调度方法、模块、终端和存储 介质

技术领域

本发明涉及计算机领域，特别是涉及一种用于非实时操作系统的实时任务调度方法、模块、终端和存储介质。

背景技术

嵌入式操作系统分为实时系统和非实时系统两类，常见的实时系统有：ThreadX、FreeRTOS、ucOS；常见的非实时系统有：windows、linux、Android。两类操作系统的主要区别在于任务调度处理方式不同，常用的任务调度方式有两种：基于任务优先级的任务调度方式和基于时间片的任务调度方式：

1)基于任务优先级的调度方式：一旦内核把资源分配给某进程后，便让该进程一直执行，直到该进程完成或发生某事件而被阻塞(常见的方式主动调用delay)，才再把处理机分配给其他进程，否则高优先级的任务会一直运行。所以这种情况下，如果某个高优先级的任务运行时间过长最好有阻塞机制，来让出CPU使其他低优先级的任务也有机会运行。

2)基于时间片的调度方式：这种方式下，所有任务的优先级相同，当内核给该进程分配的时间片结束后，内核会停止正在执行的这个进程，下一个时间片分配给其他进程执行，即便这个任务没有执行完也没有主动delay自己。

以Linux为例，Linux作为一款开源的操作系统内核，它提供了几种基本的进程调度方式：

1.SCHED_ORHER，用于普通进程，基于动态优先级进行调度，其动态优先级可以理解为调度器根据多种因素为每个进程计算出权值，即每个进程的优先级权值是在动态调整改变的，每次调度的时候，调度器会根据各进程当时的优先级权值来决定调度哪个进程；

2.SCHED_FIFO：用于实时性要求较高的进程，使用了一种简单的先进先出的调度算法。不同优先级进程按照优先级高的先跑到睡眠，优先级低的进程再跑，同等优先级先进先出的策略进行调度；

3.SCHED_RR：用于实时性要求较高的进程，它是基于时间片的SCHED_FIFO，使用了一种实时轮流调度算法。不同优先级进程按照优先级高的先跑到睡眠，优先级低的进程再跑，同等优先级进程轮流执行的策略进行调度；

除以上调度方式，还有一些衍生出的调度算法，例如EDF，即最早截止时间优先算法，它会将待执行的任务队列按照截止时间的先后进行排序，优先执行截止时间最近的任务。

虽然已经有了这么多种进程调度方式，但Linux依然是一个非实时操作系统内核。所谓非实时，指的是无论使用以上哪一种调度方式，高优先级任务的执行依然会受到低优先级任务的影响，导致高优先级任务的开始/结束执行时间变得无法预期，各任务无法按照既定的优先级顺序执行。为什么现有的调度机制无法保证任务的“实时性”呢？原因主要有下述两点：

一.在一个车载控制器内运行的所有任务往往包含在多个应用程序内(这些应用程序可能由不同的供应商开发完成)，类似于我们常见的手机APP。在这些应用程序内既包含了关键任务(实时性要求较高的周期性任务)，也包含一些非关键任务(实时性要交较低的任务)。系统启动之后，这些应用程序会依次被启动起来，这样一来，那些关键任务的执行顺序便受到了应用程序启动顺序的限制。

举个例子，假设现在有2个应用程序APP1、APP2，APP1内包含3个关键任务：A、B、C，3个关键任务的优先级分别是高、中、低；APP2内包含2个关键任务：D、E，优先级分别是高、低；期望的任务执行顺序是A、D、B、C、E，由于受到APP1和APP2执行顺序的限制，任务执行顺序不可能按照期望的执行。

二.由于Linux不是一种完全的抢占式操作系统，所以即便给任务设定了不同的优先级，使用现有的任何一种调度方式，还是可能发生高优先级任务受低优先级任务的影响，导致无法及时执行的情况。

非实时操作系统的“非实时”缺陷无法满足很多领域的应用需求，例如汽车电子领域，造成其应用收到局限。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明要解决的技术问题是提供一种用于非实时操作系统，根据任务类型(实时任务和非实时任务)能规避由于非实时任务正在执行导致实时任务无法及时执行的实时任务调度方法、模块、终端和存储介质。

为解决上述技术问题，本发明提供用于非实时操作系统的实时任务调度方法，所述非实时操作系统包括但不限于Linux，其引用领域包括但不限于汽车电子领域，包括以下步骤：

S1，提取实时任务；

所述任务是指自主开发的各类模块中所包含的任务，但不涉及驱动以及系统自带的服务；

从梳理出的任务中提取“实时任务”列表。任务的种类一般分为时间触发型任务和事件触发型任务。本发明中的实时任务，指的是时间触发型任务，也就是周期任务。在某些周期性任务中可能包含文件读写等可能长时间占用CPU，或执行时间不确定的操作，针对这类情况，需要对周期任务作分离设计，将长时间占用CPU或执行时间不确定的处理剥离出周期任务，使其作为“非实时”任务运行，而周期任务内只保留处理时间短而可控的处理，这便是本发明需要的“实时任务”。除此之外，对于事件触发型任务，本发明一般作为非实时任务看待，如果对事件触发的响应实时性要求较高的话，可以根据事件触发的方式，将其设计为“事件监听+事件处理”的方式，事件监听是一个周期任务，负责接收事件通知，它可以被定义为实时任务；事件处理负责完成接收到通知后的处理，是非实时任务。

S2，分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

获取“实时任务”列表对每个实时任务进行分析；

周期时间：指的是需要间隔多少时间执行一次任务；

最坏运行时间：指的是在最坏情况下，任务在一个周期内完整的执行一次需要消耗多少时间，最坏运行时间一定小于任务的周期时间；

关联任务：在实际设计开发过程中，应用程序数量和任务数并不是一对一的关系，一个应用程序内一般会包含多个任务，所以，包含在同一个应用程序内的任务便是关联任务。

S3，CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；

S4，根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

可选择的，进一步改进所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法，实施步骤S1时，将数据获取和数据处理分割为不同的任务。

可选择的，进一步改进所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法，实施步骤S3时，所述所有任务包括，实时任务和非实时任务，将关联任务分配同一个CPU内核，且一个CPU内核上至运行一类任务。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于非实时操作系统的实时任务调度模块，其特征在于，包括：

实时任务提取单元，其用于提取实时任务；

实时任务分析单元，其用于分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

内核划分绑定单元，其用于将CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；

调度机制指定单元，其用于根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

可选择的，进一步改进用于非实时操作系统的实时任务调度模块，所述非实时系统包括Linux。

可选择的，进一步改进用于非实时操作系统的实时任务调度模块，实时任务提取单元将数据获取和数据处理分割为不同的任务。

可选择的，进一步改进用于非实时操作系统的实时任务调度模块，所述所有任务包括实时任务和非实时任务，内核划分绑定单元将关联任务分配同一个CPU内核，且一个CPU内核上至运行一类任务。

为解决上述技术问题，本发明提供一种终端设备，其用于执行权利要求1-4任意一项所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-4任意一项所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法中的步骤

经实际验证，使用本发明的设计方案，在非实时操作系统中对周期任务的执行情况至少能实现以下技术效果：

1)任务能够稳定地按照优先级顺序执行；

2)高优先级任务不会受到低优先级任务的影响；

3)任务能够按照一个稳定的时间间隔执行；

4)在每个大周期内，各任务能够按照同样的调度顺序执行；

5)任务在每个周期内都能够被完整地执行一次，不存在“漏执行”的情况。

附图说明

本发明附图旨在示出根据本发明的特定示例性实施例中所使用的方法、结构和/或材料的一般特性，对说明书中的描述进行补充。然而，本发明附图是未按比例绘制的示意图，因而可能未能够准确反映任何所给出的实施例的精确结构或性能特点，本发明附图不应当被解释为限定或限制由根据本发明的示例性实施例所涵盖的数值或属性的范围。下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明流程示意图。

图2为实时任务与非实时任务的分离原理示意图。

图3为现有技术和本发明任务的执行顺序对比示意图。

图4为现有技术和本发明任务执行时间误差对比示意图。

图5为现有技术和本发明任务执行稳定性对比示意图，其显示单位周期内任务执行状况。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容充分地了解本发明的其他优点与技术效果。本发明还可以通过不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点加以应用，在没有背离发明总的设计思路下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明下述示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的具体实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性具体实施例的技术方案充分传达给本领域技术人员。

第一实施例；

如图1所示，本发明提供一种用于非实时操作系统的实时任务调度方法，包括以下步骤：

S1，提取实时任务；

S2，分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

S3，CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；

S4，根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

第二实施例；

本发明提供一种用于非实时操作系统的实时任务调度方法，包括以下步骤：

S1，提取实时任务，将数据获取和数据处理分割为不同的任务；

S2，分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

S3，CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；所述所有任务包括，实时任务和非实时任务，将关联任务分配同一个CPU内核，且一个CPU内核上至运行一类任务；

S4，根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

随着智能驾驶技术的发展，单个智驾控制器需要获取越来越多的外部数据，例如摄像头数据、毫米波雷达数据、激光雷达数据、GPS数据、V2X数据，以及车身数据等等。这些数据的获取方式、获取频率、数据量等因素各不相同，但这些因素又恰恰影响着后续数据处理、数据融合、以及驾驶决策的处理性能与准确度。

以这种场景为例，为了获取传感器数据，最通常的做法就是写一个while(1)不断的获取数据，甚至在这个循环体内会包含部分数据处理，这样的做法一方面可能给CPU带来较高的负荷，另一方面当各种处理(包括数据获取以及其他算法程序)同时执行的时候，各个周期任务的执行顺序、频率、任务的开始/结束执行时间间隔、执行次数等等都是无法预测的。

使用本发明的调度方法可以有效改善这种执行过程的不确定性。

任务梳理，在此过程中需采用分离设计的方法，将原本在一个任务中实现的一连串处理，根据每一阶段处理的特点以及其对执行实时性的需求不同，分离成多个任务，最终梳理出需要的任务列表；

参考图2所示，提取实时任务，可以将数据获取和数据处理分割为2个不同的任务，数据获取任务负责按照一定的频率周期性地获取数据，获取到新的数据后，将数据传递给数据处理任务并通知它执行数据处理，这种方法能够有效的降低对CPU的负荷。此外，这种将一个处理分割成多个任务的方式可以应用在很多处理场景中，换言之，数据融合算法、决策算法同样可以参考这种方法提取实时任务。

对所有的实时任务进行分析，确定他们的周期时间以及最坏运行时间。这一步需要根据传感器特性、以及业务需要来制定。

为所有的任务分配占用的CPU核。经过第二步的分析，便能够得出这些实时任务运行时需要占用几个核的资源，这样一来便可以对CPU做合理的分配。假设控制器有4个核，实时任务同时运行时需要占用2个核，那剩余的2个核则可以给非实时任务占用。这一步同样有助于我们对硬件资源是否充足的问题做出评估。

非实时任务的调度可以交给系统来完成，我们不需要去过多的关心。但实时任务因为前所述的各种原因，不能直接使用现有的几种调度方式，需要根据以下几点规则来实现实时任务调度模块：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行，反之不可执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

第三实施例；

本发明提供一种用于非实时操作系统的实时任务调度模块，包括：

实时任务提取单元，其用于提取实时任务；

实时任务分析单元，其用于分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

内核划分绑定单元，其用于将CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；

调度机制指定单元，其用于根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

第四实施例；

本发明提供一种用于非实时操作系统的实时任务调度模块，包括：

实时任务提取单元，其用于提取实时任务，将数据获取和数据处理分割为不同的任务；

实时任务分析单元，其用于分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

内核划分绑定单元，其用于将CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；所述所有任务包括实时任务和非实时任务，内核划分绑定单元将关联任务分配同一个CPU内核，且一个CPU内核上至运行一类任务；

调度机制指定单元，其用于根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

第五实施例；

本发明提供一种终端设备其用于执行第一或第二实施例任意一项所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法。

第六实施例；

本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现第一或第二实施例任意一项所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法中的步骤

除非另有定义，否则这里所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确定义，否则诸如在通用字典中定义的术语这类术语应当被解释为具有与它们在相关领域语境中的意思相一致的意思，而不以理想的或过于正式的含义加以解释。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于非实时操作系统的实时任务调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，提取实时任务；

S2，分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

S3，CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；

S4，根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

2.如权利要求1所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法，其特征在于：所述非实时系统包括Linux。

3.如权利要求1所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法，其特征在于：实施步骤S1时，将数据获取和数据处理分割为不同的任务。

4.如权利要求1所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法，其特征在于：

实施步骤S3时，所述所有任务包括，实时任务和非实时任务，将关联任务分配同一个CPU内核，且一个CPU内核上至运行一类任务。

5.一种用于非实时操作系统的实时任务调度模块，其特征在于，包括：

实时任务提取单元，其用于提取实时任务；

实时任务分析单元，其用于分析实时任务，定义实时任务关键特性；所述关键特性，包括但不限于：周期时间、最坏运行时间和关联任务；

内核划分绑定单元，其用于将CPU内核划分为实时内核和非实时内核，为所有任务分配CPU内核并绑定；

调度机制指定单元，其用于根据任务绑定的CPU内核选择任务调度机制，非实时内核使用非实时系统默认调度机制，实时内核使用的调度机制遵循如下规则：

R1，根据实时任务周期时间指定优先级，实时任务周期时间越短优先级越高，实时任务周期时间相同则优先级相同；

R2，允许高优先级任务打断低优先级任务执行；

R3，一个CPU内核上同一时间只有一个任务能调度执行。

6.如权利要求5用于非实时操作系统的实时任务调度模块，其特征在于：所述非实时系统包括Linux。

7.如权利要求5用于非实时操作系统的实时任务调度模块，其特征在于：实时任务提取单元将数据获取和数据处理分割为不同的任务。

8.如权利要求5用于非实时操作系统的实时任务调度模块，其特征在于：所述所有任务包括实时任务和非实时任务，内核划分绑定单元将关联任务分配同一个CPU内核，且一个CPU内核上至运行一类任务。

9.一种终端设备，其特征在于：其用于执行权利要求1-4任意一项所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法。

10.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1-4任意一项所述用于非实时操作系统的实时任务调度方法中的步骤。

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