皇甫大雙

(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的提出，為多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件[1]，例如多媒體信息處理、航空航天控制、機(jī)械設(shè)備控制等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)作業(yè)與時(shí)間的約束密切相關(guān)，對(duì)任務(wù)開始執(zhí)行、完成等時(shí)間要求較高[2]。為了達(dá)到任務(wù)實(shí)時(shí)管理目標(biāo)，必須為其設(shè)置一套高效的調(diào)度機(jī)制。目前，應(yīng)用比較多的兩種調(diào)度機(jī)制分別為靜態(tài)調(diào)度、動(dòng)態(tài)調(diào)度，由于前者應(yīng)用期間需要明確負(fù)載模型，確定可調(diào)度性，應(yīng)用靈活性較低，所以應(yīng)用較少[3-4]。后者雖然具備一定的靈活性，但是應(yīng)用條件受限，一旦負(fù)載超過(guò)預(yù)期設(shè)置，調(diào)度耗費(fèi)的處理器資源就會(huì)明顯增加[5]。為了彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)調(diào)度的不足，本文嘗試提出一種反饋控制下的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度算法，并展開深入探究。

1 反饋控制下的嵌入式實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)

1.1 動(dòng)態(tài)調(diào)度存在的問(wèn)題

目前，實(shí)時(shí)調(diào)度算法的開發(fā)主要采取動(dòng)態(tài)調(diào)度方法。動(dòng)態(tài)調(diào)度方法分為兩種，其中一種為最小松弛時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法(Least Slack Time First，LST)，另外一種為最早截止期優(yōu)先算法(Earliest Deadline First，EDF)[6]。這兩種方法的應(yīng)用都是建立在已經(jīng)創(chuàng)建的任務(wù)基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)內(nèi)容要求，按照一定順序執(zhí)行。存在的不足在于系統(tǒng)負(fù)載模型不確定條件下，調(diào)度任務(wù)過(guò)程會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成較大影響，部分時(shí)段出現(xiàn)大幅度的動(dòng)蕩[7]。從理論層面而言，系統(tǒng)當(dāng)前輸入及以前輸入在很大程度上決定了系統(tǒng)輸出，不利于任務(wù)調(diào)度。

1.2 反饋控制調(diào)度系統(tǒng)的提出

一般情況下，工程師采用反饋控制環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，所以，本文嘗試引入反饋控制方法，進(jìn)行反饋控制調(diào)度系統(tǒng)研究[8]。該系統(tǒng)中，反饋控制器采用的是比例積分微分控制器(Proportional Integral Derivative，PID)，該裝置不僅穩(wěn)定性能較高，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，支持不確定、數(shù)學(xué)模型精度偏低條件作業(yè)，并且控制效果較好[9-10]。根據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度需求，設(shè)計(jì)的反饋控制調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反饋控制調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要由比例調(diào)節(jié)器、微分調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器、監(jiān)視器、任務(wù)調(diào)度器組成，在執(zhí)行等級(jí)控制器的作用下，下達(dá)執(zhí)行任務(wù)，經(jīng)過(guò)多番調(diào)節(jié)處理，完成相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行，同時(shí)利用監(jiān)視器觀察任務(wù)執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程。其中，被控變量為任務(wù)錯(cuò)過(guò)率，記為MR(t)，控制變量為處理器總利用率調(diào)整量，記為ΔCPU。關(guān)于控制器PID作業(yè)描述如下：

(1)

公式(1)中，KD代表微分系數(shù)；KI代表積分系數(shù)；Kp代表比例系數(shù)。

關(guān)于任務(wù)錯(cuò)過(guò)率的求解，采用以下公式計(jì)算：

MR(t)=n/(n+m)

(2)

公式(2)中，n和m均代表任務(wù)數(shù)，前者計(jì)量的是錯(cuò)誤時(shí)限的數(shù)據(jù)，后者計(jì)量的是在時(shí)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

一般情況下，運(yùn)行監(jiān)視器能夠有效采集任務(wù)錯(cuò)過(guò)率相關(guān)數(shù)據(jù)，作業(yè)期間，通過(guò)調(diào)節(jié)部分參數(shù)數(shù)據(jù)，控制監(jiān)視器作業(yè)狀態(tài)[11]。為了便于控制，設(shè)置任務(wù)周期，記錄任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，構(gòu)建任務(wù)關(guān)系模型。其中，系統(tǒng)任務(wù)總占用率U的求解方法如下：

(3)

公式(3)中，Ti代表任務(wù)周期；EXTi代表任務(wù)執(zhí)行時(shí)間。為了便于調(diào)度控制，本模型對(duì)非周期任務(wù)采取周期化處理。如果任務(wù)隨機(jī)化嚴(yán)重，或者執(zhí)行次數(shù)為1，那么為Ti賦予截止時(shí)間。

2 基于PID反饋控制的LST調(diào)度模型的構(gòu)建

2.1 基于PID反饋控制的LST調(diào)度模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以LST調(diào)度算法作為研究基礎(chǔ)，引入PID反饋控制系統(tǒng)，提出一種新的調(diào)度模型，即PID-FC-LST(PID-Feedback Control-LST)調(diào)度模型[12]。該模型主要調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)，作業(yè)效率較高。PID-FC-LST調(diào)度模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PID-FC-LST調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

該模型主要由PID控制器、監(jiān)視器、任務(wù)準(zhǔn)入控制器、任務(wù)執(zhí)行等級(jí)控制器、LST調(diào)度器、處理器組成。開啟監(jiān)視器作業(yè)模式，按照一定周期規(guī)律，將系統(tǒng)任務(wù)錯(cuò)過(guò)率MR(t)反饋給調(diào)度體系，按照接收到的不同等級(jí)任務(wù)命令，開啟處理器作業(yè)模式，采取針對(duì)性處理。當(dāng)PID控制器接收到反饋信息MR(t)后，統(tǒng)計(jì)處理器利用率調(diào)整量，記為ΔCPU，涉及的計(jì)算公式如下：

(4)

公式(4)中，EMR(t)=MR(t)-MR0。其中，MR0代表錯(cuò)過(guò)率對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)值。

當(dāng)ΔCPU<0時(shí)，處理器指標(biāo)中利用率的需求明顯下降；當(dāng)ΔCPU>0時(shí)，處理器指標(biāo)中利用率的需求明顯上升。當(dāng)ΔCPU發(fā)生變化時(shí)，容易對(duì)任務(wù)執(zhí)行等級(jí)控制器、準(zhǔn)入控制器的作業(yè)狀態(tài)造成影響。假設(shè)系統(tǒng)作業(yè)期間，為了達(dá)到任務(wù)調(diào)度需求，任務(wù)執(zhí)行等級(jí)控制器需要做出一定調(diào)整，涉及的調(diào)整參數(shù)為利用率，記為ΔCPU1。在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)入控制器也應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整。關(guān)于利用率的調(diào)整計(jì)算為ΔCPU0=ΔCPU-ΔCPU1。

考慮到錯(cuò)過(guò)率的修正，需要改變系統(tǒng)負(fù)載。所以，本研究嘗試?yán)脠?zhí)行等級(jí)控制器和準(zhǔn)入控制器分別對(duì)當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行的等級(jí)、是否接收新的任務(wù)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行隊(duì)列的任務(wù)調(diào)度，同時(shí)處理器的占用率也將隨之改變。在此環(huán)境下，系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生改變，錯(cuò)過(guò)率因此得到修正。通常情況下，如果系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)率數(shù)值偏高，ΔCPU<0，則下調(diào)處理器總體利用率；如果系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)率數(shù)值偏低，ΔCPU>0，則上調(diào)處理器總體利用率。

2.2 調(diào)度任務(wù)執(zhí)行模型設(shè)計(jì)

本研究系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)用T，D，A，C，EXT，TYPE，INST來(lái)表示，從初級(jí)任務(wù)開始執(zhí)行，按照從低到高的順序執(zhí)行。其中，執(zhí)行時(shí)間由EXT決定，任務(wù)關(guān)鍵性由C決定。以下為換算公式：

EXL=C×a0-EXT×a1

(5)

公式(5)中，a1代表執(zhí)行時(shí)間系數(shù)；a0代表關(guān)鍵性系數(shù)；EXL代表任務(wù)執(zhí)行等級(jí)。從該公式中參數(shù)關(guān)系可以看出，執(zhí)行時(shí)間與關(guān)鍵性之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與任務(wù)執(zhí)行等級(jí)之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。INST代表任務(wù)急迫性，通過(guò)調(diào)節(jié)該參數(shù)，能夠?qū)?zhǔn)入任務(wù)加以控制。TYPE代表任務(wù)類型，主要分為3類，分別是軟實(shí)時(shí)、固定實(shí)時(shí)、硬實(shí)時(shí)。其中，任務(wù)關(guān)鍵性最強(qiáng)的類型為硬實(shí)時(shí)，最為薄弱的是軟實(shí)時(shí)。

本研究中，為了保證較高的時(shí)間要求，系統(tǒng)能夠有序調(diào)度，避免資源調(diào)度混亂問(wèn)題的發(fā)生。系統(tǒng)對(duì)各個(gè)任務(wù)類型的最低優(yōu)先級(jí)的調(diào)度順序進(jìn)行了設(shè)定：(1)最高優(yōu)先級(jí)(固定實(shí)時(shí)任務(wù))<最低高優(yōu)先級(jí)(硬實(shí)時(shí)任務(wù))；(2)最高優(yōu)先級(jí)(軟實(shí)時(shí)任務(wù))<最低高優(yōu)先級(jí)(固定實(shí)時(shí)任務(wù))。

另外，D任務(wù)描述的是截止時(shí)間；A任務(wù)描述的是達(dá)到時(shí)間；T任務(wù)描述的是周期。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)發(fā)生改變時(shí)，軟實(shí)時(shí)任務(wù)、固定實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行等級(jí)也將發(fā)生改變，此情況下T任務(wù)和D任務(wù)數(shù)值也將發(fā)生改變。這種任務(wù)調(diào)度設(shè)計(jì)方式，可以為控制器作業(yè)提供更為足夠空間的同時(shí)，根據(jù)操控需求及時(shí)為其提供資源。3種任務(wù)類型中，硬實(shí)時(shí)任務(wù)較為特殊，因其對(duì)時(shí)間要求較高，所以無(wú)法自動(dòng)提供足夠的數(shù)據(jù)資源，需要借助調(diào)控設(shè)備，調(diào)整T值和D值。

3 嵌入式可配置操作系統(tǒng)環(huán)境下LST調(diào)度算法設(shè)計(jì)

本研究將設(shè)計(jì)的PID-FC-LST調(diào)度模型投入實(shí)踐應(yīng)用，根據(jù)操控需求，為其配備嵌入式可配置操作系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中開發(fā)LST調(diào)度算法，使其得以滿足嵌入式操作系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，從而為多功能操作系統(tǒng)作業(yè)提供較為可靠的資源調(diào)度控制工具。

3.1 嵌入式任務(wù)接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于PID-FC-LST調(diào)度模型在嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境中應(yīng)用，任務(wù)調(diào)度功能無(wú)法被開啟，所以設(shè)計(jì)了程序編程接口，對(duì)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使其得以與其他功能模塊兼容。任務(wù)接口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以操作系統(tǒng)內(nèi)核作為基底，利用內(nèi)核線程API，創(chuàng)建任務(wù)API，開發(fā)用戶應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)接口的連接。

其中，API函數(shù)作為接口連接的主要工具，以entry_data為入口函數(shù)參數(shù)，該參數(shù)類型為cyg_addrword_t。運(yùn)用API函數(shù)作為多種類型數(shù)據(jù)傳遞指針，主要用來(lái)傳遞任務(wù)中私有部分?jǐn)?shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)任務(wù)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展。嵌入式變量描述與程序任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 嵌入式變量描述與程序任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分別為各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)分配定時(shí)器，綁定后操控時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，擴(kuò)展數(shù)據(jù)成員均利用API程序訪問(wèn)，或者對(duì)數(shù)據(jù)加以修改處理。

3.2 LST調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)設(shè)計(jì)

為了使資源調(diào)度得以有序進(jìn)行，本系統(tǒng)開發(fā)了LST調(diào)度作業(yè)管理功能模塊。該模塊主要用于實(shí)時(shí)任務(wù)接收的調(diào)度控制，利用優(yōu)先級(jí)映射器，排列實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行順序，使任務(wù)調(diào)度得以有序展開。LST調(diào)度器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LST調(diào)度器結(jié)構(gòu)

按照任務(wù)關(guān)鍵性大小，設(shè)置3個(gè)優(yōu)先等級(jí)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)檔次隨著關(guān)鍵性的增加而提升。相鄰關(guān)鍵性任務(wù)調(diào)度的處理是以臨界優(yōu)先級(jí)作為調(diào)度依據(jù)，優(yōu)先調(diào)度關(guān)鍵性較高的任務(wù)。然后確定任務(wù)優(yōu)先級(jí)。按照一定時(shí)間間隔，從系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)中獲取松弛時(shí)間，運(yùn)用優(yōu)先級(jí)映射器計(jì)算松弛時(shí)間，以此確定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。其中，松弛時(shí)間與任務(wù)優(yōu)先級(jí)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。最后，利用多級(jí)隊(duì)列調(diào)度器，控制任務(wù)進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行隊(duì)列的先后順序。

3.3 任務(wù)執(zhí)行等級(jí)控制設(shè)計(jì)

任務(wù)執(zhí)行等級(jí)控制以優(yōu)先級(jí)映射器作業(yè)期間產(chǎn)生的時(shí)間間隔nTM為依據(jù)，根據(jù)nTM中的n，確定任務(wù)執(zhí)行等級(jí)。當(dāng)n值偏大時(shí)，優(yōu)先級(jí)映射器作業(yè)期間占用處理器的資源較少，然而該條件也會(huì)導(dǎo)致松弛時(shí)間敏感度下降，部分任務(wù)執(zhí)行期間容易錯(cuò)過(guò)時(shí)限。當(dāng)n值偏小時(shí)，任務(wù)松弛時(shí)間不容易受其影響，能夠以較小的松弛時(shí)間完成任務(wù)執(zhí)行。通常情況下，這些任務(wù)執(zhí)行關(guān)鍵性較高情況下，n的數(shù)值越小。因此，可以通過(guò)為n賦值，來(lái)控制任務(wù)執(zhí)行等級(jí)。

4 算法應(yīng)用測(cè)試分析

4.1 應(yīng)用測(cè)試內(nèi)容與方法

設(shè)置90個(gè)采樣點(diǎn)，運(yùn)用LST算法、PID-FC-LST算法控制監(jiān)視器，從而獲取任務(wù)錯(cuò)過(guò)率，并記錄測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，利用監(jiān)視器采集空閑任務(wù)條件下的處理器占用率，而后計(jì)算處理器占用率。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

按照測(cè)試內(nèi)容與方法，分別對(duì)兩種算法應(yīng)用期間產(chǎn)生的任務(wù)錯(cuò)過(guò)率、處理器總利用率展開測(cè)試，結(jié)果如表1—2所示。

表1中，LST算法應(yīng)用期間任務(wù)錯(cuò)過(guò)率較高，最小值產(chǎn)生在樣點(diǎn)30處，數(shù)值為2.06%。相比之下，PID-FC-LST算法的任務(wù)錯(cuò)過(guò)率明顯降低，最大錯(cuò)過(guò)率為0.53%。所以，本文設(shè)計(jì)的算法能夠有效控制任務(wù)錯(cuò)過(guò)問(wèn)題。

表1 任務(wù)錯(cuò)過(guò)率測(cè)試結(jié)果

表2中，LST算法應(yīng)用期間，處理器利用率隨著采樣點(diǎn)數(shù)量的增加而不斷波動(dòng)，利用率在99.2%以上，并且采樣點(diǎn)40和采樣點(diǎn)80的利用率達(dá)到了100.0%，嚴(yán)重超荷。增加反饋控制環(huán)節(jié)，即運(yùn)用PID-FC-LST算法，降低了處理器利用率，9組實(shí)驗(yàn)測(cè)試中處理器利用率最大值為98.9%。由此看來(lái)，本算法的處理器資源利用更加合理。

表2 處理器總利用率測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)系統(tǒng)作業(yè)實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題展開探究，在LST算法基礎(chǔ)上，增加反饋控制體系，借助嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)一種新的任務(wù)調(diào)度算法PID-FC-LST。測(cè)試結(jié)果顯示，PID-FC-LST算法不僅可以有效降低任務(wù)錯(cuò)過(guò)率，而且還能夠合理利用處理器資源，避免處理器作業(yè)超荷問(wèn)題的產(chǎn)生，有助于系統(tǒng)作業(yè)實(shí)時(shí)調(diào)度的有序開展。