VxWorks下周期任务调度和任务周期选择

VxWorks 下周期任务调度和任务周期选择发布日期:2006-05-24 作者:张强 李鸥 来源:微计算机信息【摘要】：本文介绍了VxWorks 操作系统下任务调度的策略，分析了实际设计应用中，周期任务调度的需求。

介绍了一种在VxWorks 操作系统下优化周期任务周期的方法。

【关键字】 Vxworks 实时 周期任务 调度1 引言VxWorks 是WindRiver 公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统，它是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。

其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。

在VxWorks 下开发的许多实际应用中，尤其是计算机控制系统中，任务往往有最大的延迟或者说等待时间，它们被设计成周期任务。

为了提高应用系统的性能，要为周期任务选择合适的周期。

本文介绍在VxWorks 系统下选择任务周期的一种方法。

2 Vxworks 实时内核Wind 的任务调度Wind 内核默认采用基于优先级的抢占式调度（Priority-base preemptive scheduling ）算法。

同时，还可以选用轮转（round-robin ）调度算法。

不同优先级任务之间，采用基于优先级的抢占式调度算法。

系统中每个任务都有一个介于最高0到最低255之间的优先级。

任一时刻，内核把CPU 分配给处于就绪态的优先级最高的任务运行。

如果系统内核一旦发现一个优先级更高的任务转变为就绪态，内核就立刻保存当前任务的上下文，把当前任务状态转换为阻塞态，同时切换到这个高优先级任务的上下文执行。

等待高优先级任务执行完才执行低优先级的任务。

相同优先级的多个任务之间，采用时间片轮转调度算法。

轮转调度算法试图让优先级相同的、处于就绪态的任务公平的分享CPU ，系统让处于就绪态的优先级相同的一组任务依次轮流执行预先确定长度的时间片。

当一个任务到达时，它被排在轮转队列的后面，等待分配给自己的时间片的到来，如果在时间片内没有运行完，则再等待属于自己的时间片的到来，直到任务完成。

为了任务控制的灵活性，Wind 内核还提供了动态优先级机制，任务的优先级在运行期间可动态地变化。

同时，为了防止优先级反转，还具有优先级继承机制，通过使用互斥信号量可以防止高优先级的任务被迫等待一段不确定时间，直到一个低优先级任务完成。

3 关于周期任务3.1 周期任务的概念实际应用中，尤其是计算机控制系统中，有些任务有最大的延迟或者说等待时间，必须每隔一定时间执行一次，例如必须每30ms对信号采样一次。

这种类型的任务称之为周期任务。

其特点如下：（1）周期执行。

每个周期内执行一次，本周期内运行完成后，任务将挂起，等待下一周期再运行；（2）周期任务在规定周期内，必须执行完毕。

若不能运行完，将产生周期任务超时，并导致系统不可预知的行为，这在实时系统中是不允许的，周期任务一但超时应有相应程序处理。

在VxWorks操作系统中周期任务是由定时器来实现的。

3.2 周期任务的调度和周期在实际应用中，周期任务的硬实时调度非常重要，调度算法也有多种。

优先级随速率单调的调度算法（Rate Monotonic Scheduling , RMS）是针对可抢占的周期性进程采用的经典静态算法。

对于一组抢占式的，独立的，且周期与其时限相同的周期任务，RMS被证明是在理想条件下最佳的固定优先级调度算法[4]。

对于RMS可调度的任务应该满足不等式，随着任务数的增加，调度上限值逐步降低，其极限值为ln2。

而最早截止时间优先调度算法（Earliest Deadline First,EDF）是流行的动态实时调度算法。

对任何可调度的进程集合EDF总是适用的，甚至CPU的利用率可达到100%。

周期任务一般都存在一个可接受的周期范围，在最大周期时仍能满足系统的需求。

例如：实时控制系统可能有多个控制进程，在保证系统性能的情况下，它们的抽样频率可以从一定的范围内选择。

选择周期遵循两个原则：（1）不能低于系统允许的最大的时间延迟。

（2）系统性能与任务周期成反比。

周期越短，性能越好。

[3]和[5]分别研究了在RMS和EDF调度算法下获得最佳任务周期的算法。

实时应用开发大致可分为两个步骤：（1）设计。

设计特定的计算模块，使之符合被控目标的需求，为了确保系统达到应有的性能，这些模块都被预先定义了周期上限；（2）实现。

此时在第一阶段定义好的模块被当作是实时周期任务来实现。

实际应用中，往往根据系统性能要求和任务性质，规定了周期任务的周期上限和优先级。

这些任务的可调度性由任务的周期，执行时间和调度算法来确定。

最终这些任务有可能是不可调度的，即使可以调度，系统的总体性能也不一定达到最优。

4 VxWorks下任务周期选择以上我们分析了周期任务调度的特点和重要性，以及VxWorks操作系统内核的调度机制，我们的目标是在满足系统性能需求和任务可调度性的情况下，在VxWorks系统下获得给定任务集的周期选择范围。

假定任务集{τ1，…，τn}，它们的周期上界分别是{Tm1，…，Tmn}，优先级分别为{P1，…，Pn}，执行时间分别是{C1，…，Cn}，不失一般性我们假定P1≥…≥Pn。

对于该组任务，根据VxWorks基于优先级的抢占式调度机制，给出{ T1，…，Tn }可选的周期范围。

我们假定各任务间相互独立，并忽略VxWorks系统任务对周期任务调度所产生的影响，例如为实现周期任务所设置的系统定时器。

另外忽略任务切换时间。

首先考虑任务优先级均不同的情况，参考[6]，[3]中提出的测试任务可调度性的算法，在VxWorks基于优先级的抢占式调度机制下，低优先级的任务必须等待高优先级的任务执行完才能得到执行的情况。

在t时刻对于任务τk完成所需求的CPU累计时间可以表示为任务集的可调度条件：对于任意任务τk存在整数{n1，…，nk }满足i=1，…，k （I）从（III）得出的周期范围只影响{τ1，…，τk}的周期范围。

为了满足所有任务的可调度性，对不同的任务所得的周期范围应该取交集。

取交集时对于那些没有包含进来的任务周期范围不作改动。

最终获得一组任务周期的可选范围，然后就可以针对具体的实际应用，来选择确定任务的周期。

当任务集{τ1，…，τn}中有h个任务优先级高于任务τk，同时τk有m个相同优先级的任务时，假定该m个任务按照周期从小到大的顺序排列。

当没有其它任务优先级与τk相同时，m=1。

我们考虑最坏的情况，即任务τk在现同优先级任务中最后一个完成。

在t时刻对于任务τk完成所需求的CPU累计时间可以表示为跟据（II）分别计算出任务周期范围。

将N2所得出的周期范围分别与N3所得出的周期范围取交集得到最终的周期可选范围：： T1=12，4≤T2≤5，12≤T3≤29；：7≤T1≤12， 4.67≤T2≤5，14≤T3≤29：7.5≤T1≤12，3.75≤T2≤5，15≤T3≤29；：8≤T1≤12，3.2≤T2≤5，16≤T3≤29：6≤T1≤12， 3.6≤T2≤5，18≤T3≤29；：8.5≤T1≤12，3≤T2≤5，17≤T3≤29：6.3≤T1≤12， 3.17≤T2≤5，19≤T3≤29我们就可以跟据实际应用设计中的需求和不同任务的特性，在这些周期范围中选择一组，选择适当的任务周期以优化系统的性能。

5 结束语周期任务在嵌入式是适应用开发中应用非常广泛，本文在VxWorks的调度机制下，对周期任务的周期选择进行了讨论了，介绍了一种计算周期范围的方法。

任务周期的选择直接影响系统性能，通过计算任务周期范围，合理选择任务周期，能够改善应用系统的性能。

参考文献：[1]罗国庆 VxWorks与嵌入式软件开发机械工业出版社2003.9欢迎访问无忧电子开发网（技术文章在线阅读在线商城）[2] Jianjia Wu ,Jyh-Charn Liu, “On Schedulability Bounds of Static P riority Schedulers” IEEE[3] Danbing Seto1, John P. Lehoczky2, and Lui Sha “Task Period Selec tion and Schedulability in Real-Time Systems” IEEE[4] C.L. Liu, and J.W. Layland, “Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment,” Journal of the ACM, Vol. 2 0, No. 1, January 1973, pp. 46-61.[5] Seto, D., J. P. Lehoczky, L. Sha, and K. G. Shin, “On Task Sched ulability in Real-Time Control System,” in the Proceedings of 17th R eal-Time Systems Symposium,pp. 13-21, December, 1996.[6] Sha, L., Rajkumar, R. and Sathaye, S. S., “Generalized rate-mono tonic scheduling theory: A framework for developing real-time systems ,” Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 1, January, 1994.。