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

實時系統(tǒng)的提出，為多個領(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、機械設(shè)備控制等系統(tǒng)。這些系統(tǒng)作業(yè)與時間的約束密切相關(guān)，對任務(wù)開始執(zhí)行、完成等時間要求較高[2]。為了達到任務(wù)實時管理目標(biāo)，必須為其設(shè)置一套高效的調(diào)度機制。目前，應(yīng)用比較多的兩種調(diào)度機制分別為靜態(tài)調(diào)度、動態(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)載超過預(yù)期設(shè)置，調(diào)度耗費的處理器資源就會明顯增加[5]。為了彌補動態(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時系統(tǒng)調(diào)度算法，并展開深入探究。

1 反饋控制下的嵌入式實時調(diào)度系統(tǒng)

1.1 動態(tài)調(diào)度存在的問題

目前，實時調(diào)度算法的開發(fā)主要采取動態(tài)調(diào)度方法。動態(tài)調(diào)度方法分為兩種，其中一種為最小松弛時間優(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)過程會對系統(tǒng)運行造成較大影響，部分時段出現(xiàn)大幅度的動蕩[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)運行穩(wěn)定性，所以，本文嘗試引入反饋控制方法，進行反饋控制調(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)實時調(diào)度需求，設(shè)計的反饋控制調(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)行等級控制器的作用下，下達執(zhí)行任務(wù)，經(jīng)過多番調(diào)節(jié)處理，完成相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行，同時利用監(jiān)視器觀察任務(wù)執(zhí)行的整個過程。其中，被控變量為任務(wù)錯過率，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)錯過率的求解，采用以下公式計算：

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

(2)

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

一般情況下，運行監(jiān)視器能夠有效采集任務(wù)錯過率相關(guān)數(shù)據(jù)，作業(yè)期間，通過調(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)行時間。為了便于調(diào)度控制，本模型對非周期任務(wù)采取周期化處理。如果任務(wù)隨機化嚴(yán)重，或者執(zhí)行次數(shù)為1，那么為Ti賦予截止時間。

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

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)度實時任務(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)錯過率MR(t)反饋給調(diào)度體系，按照接收到的不同等級任務(wù)命令，開啟處理器作業(yè)模式，采取針對性處理。當(dāng)PID控制器接收到反饋信息MR(t)后，統(tǒng)計處理器利用率調(diào)整量，記為ΔCPU，涉及的計算公式如下：

(4)

公式(4)中，EMR(t)=MR(t)-MR0。其中，MR0代表錯過率對應(yīng)的校準(zhǔn)值。

當(dāng)ΔCPU<0時，處理器指標(biāo)中利用率的需求明顯下降；當(dāng)ΔCPU>0時，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，容易對任務(wù)執(zhí)行等級控制器、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，為了達到任務(wù)調(diào)度需求，任務(wù)執(zhí)行等級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)整計算為ΔCPU0=ΔCPU-ΔCPU1。

考慮到錯過率的修正，需要改變系統(tǒng)負(fù)載。所以，本研究嘗試?yán)脠?zhí)行等級控制器和準(zhǔn)入控制器分別對當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行的等級、是否接收新的任務(wù)兩項指標(biāo)進行有效控制，實現(xiàn)系統(tǒng)運行隊列的任務(wù)調(diào)度，同時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，錯過率因此得到修正。通常情況下，如果系統(tǒng)錯過率數(shù)值偏高，ΔCPU<0，則下調(diào)處理器總體利用率；如果系統(tǒng)錯過率數(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

本研究系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)用T，D，A，C，EXT，TYPE，INST來表示，從初級任務(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。從該公式中參數(shù)關(guān)系可以看出，執(zhí)行時間與關(guān)鍵性之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與任務(wù)執(zhí)行等級之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。INST代表任務(wù)急迫性，通過調(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，分別是軟實時、固定實時、硬實時。其中，任務(wù)關(guān)鍵性最強的類型為硬實時，最為薄弱的是軟實時。

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

另外，D任務(wù)描述的是截止時間；A任務(wù)描述的是達到時間；T任務(wù)描述的是周期。當(dāng)實時任務(wù)發(fā)生改變時，軟實時任務(wù)、固定實時任務(wù)的執(zhí)行等級也將發(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)計方式，可以為控制器作業(yè)提供更為足夠空間的同時，根據(jù)操控需求及時為其提供資源。3種任務(wù)類型中，硬實時任務(wù)較為特殊，因其對時間要求較高，所以無法自動提供足夠的數(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

本研究將設(shè)計的PID-FC-LST調(diào)度模型投入實踐應(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

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)度功能無法被開啟，所以設(shè)計了程序編程接口，對操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了優(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。運用API函數(shù)作為多種類型數(shù)據(jù)傳遞指針，主要用來傳遞任務(wù)中私有部分?jǐn)?shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)任務(wù)數(shù)據(jù)的擴展。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)分別為各個實時任務(wù)分配定時器，綁定后操控時間相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，擴展數(shù)據(jù)成員均利用API程序訪問，或者對數(shù)據(jù)加以修改處理。

3.2 LST調(diào)度系統(tǒng)作業(yè)設(shè)計

為了使資源調(diào)度得以有序進行，本系統(tǒng)開發(fā)了LST調(diào)度作業(yè)管理功能模塊。該模塊主要用于實時任務(wù)接收的調(diào)度控制，利用優(yōu)先級映射器，排列實時任務(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個優(yōu)先等級，任務(wù)優(yōu)先級檔次隨著關(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。按照一定時間間隔，從系統(tǒng)作業(yè)任務(wù)中獲取松弛時間，運用優(yōu)先級映射器計算松弛時間，以此確定任務(wù)的優(yōu)先級。其中，松弛時間與任務(wù)優(yōu)先級之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。最后，利用多級隊列調(diào)度器，控制任務(wù)進入系統(tǒng)運行隊列的先后順序。

3.3 任務(wù)執(zhí)行等級控制設(shè)計

任務(wù)執(zhí)行等級控制以優(yōu)先級映射器作業(yè)期間產(chǎn)生的時間間隔nTM為依據(jù)，根據(jù)nTM中的n，確定任務(wù)執(zhí)行等級。當(dāng)n值偏大時，優(yōu)先級映射器作業(yè)期間占用處理器的資源較少，然而該條件也會導(dǎo)致松弛時間敏感度下降，部分任務(wù)執(zhí)行期間容易錯過時限。當(dāng)n值偏小時，任務(wù)松弛時間不容易受其影響，能夠以較小的松弛時間完成任務(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，可以通過為n賦值，來控制任務(wù)執(zhí)行等級。

4 算法應(yīng)用測試分析

4.1 應(yīng)用測試內(nèi)容與方法

設(shè)置90個采樣點，運用LST算法、PID-FC-LST算法控制監(jiān)視器，從而獲取任務(wù)錯過率，并記錄測試結(jié)果。同時，利用監(jiān)視器采集空閑任務(wù)條件下的處理器占用率，而后計算處理器占用率。

4.2 測試結(jié)果分析

按照測試內(nèi)容與方法，分別對兩種算法應(yīng)用期間產(chǎn)生的任務(wù)錯過率、處理器總利用率展開測試，結(jié)果如表1—2所示。

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

表1 任務(wù)錯過率測試結(jié)果

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

表2 處理器總利用率測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文針對系統(tǒng)作業(yè)實時調(diào)度問題展開探究，在LST算法基礎(chǔ)上，增加反饋控制體系，借助嵌入式實時系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，設(shè)計一種新的任務(wù)調(diào)度算法PID-FC-LST。測試結(jié)果顯示，PID-FC-LST算法不僅可以有效降低任務(wù)錯過率，而且還能夠合理利用處理器資源，避免處理器作業(yè)超荷問題的產(chǎn)生，有助于系統(tǒng)作業(yè)實時調(diào)度的有序開展。