Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

Диспетчер/планировщик. Диспетчер/планировщик — другая ключевая часть ядра ОСРВ. Первичная его функция состоит в том, чтобы определить, какая из задач является очередной. Планировщик может использовать ряд алгоритмов, чтобы принять это решение. В следующем разделе обсуждаются различные алгоритмы и свойственные им недостатки и преимущества.

8.5. Типы операционных систем реального

времени

Обычно, операционные системы реального времени характеризуются типом алгоритма, используемого звеном диспетчера/планировщика, имеющимся в ядре ОСРВ. Уже название каждого типа ОСРВ дает достаточно хорошее описание работы его алгоритма. Проведем сравнительный обзор различных типов ОСРВ. Мы должны подчеркнуть, что ни один из рассматриваемых алгоритмов планирования ОСРВ не лучше любого другого. Выявление алгоритма, наиболее подходящего для конкретного применения является задачей программиста, создающего систему ОСРВ.

8.5.1. Системы с циклическим опросом

Система с циклическим опросом является наиболее простым ядром планирования ОСРВ, как для разработки, так и для исполнения. Как подразумевается самим названием, оно использует механизм последовательного опроса, чтобы определить, требует ли данная задача процессорного времени. Когда задача его требует, оно предоставляется ей от начала до конца выполнения. Как только задача заканчивается, операционная система продолжает опрос других задач, требующих процессорного времени.

Системы с циклическим опросом используются при управлении многозадачными системами с равным приоритетом для всех задач. Она должна также использоваться для систем с задачами, которые вряд ли потребуют процессорного времени одновременно. Так как одиночная задача выполняется до завершения, межзадачная связь в таких операционных системах обычно не требуется.

Основное преимущество системы с циклическим опросом — простота. С этим типом системы просто определить время срабатывания специфической задачи, систему просто написать и отладить. Основной недостаток такой системы — также простота. Система с циклическим опросом не может обрабатывать пакет событий — то есть несколько задач, требующих процессорного времени одновременно.

Следует подчеркнуть, что система с циклическим опросом — не лучший выбор сценария работы операционной системы реального времени. Она имеет существенные ограничения, однако идеально подходит для некоторых приложений, в чем мы убедимся на следующем примере.

Пример: В главе 2 мы обсуждали встроенную систему управления, предназначенную для обработки входных сигналов дистанционного управления или группового ввода для стерео усилителей. В этом специфическом примере, операционная система инициализировала систему усилителя и затем непрерывно опрашивала входные сигналы от пульта дистанционного управления и переключателей на лицевой панели. Интерфейс дистанционного управления связан с портом А, а переключатели на лицевой панели — портом B. Для этого применения, опрос был наилучшим метод для реализации операционной системы. Он был выбран в качестве предпочтительного, потому что 1) как только усилитель инициализирован, операционная система, выполняет только опрос сигналов на входах, 2) входы от дистанционного управления и переключателей лицевой панели имеют равный приоритет и 3) время реакции на изменение входных сигналов не критично.

8.5.2. Циклический опрос с прерываниями

Что же будет, если наше прикладная программа в основном хорошо соответствует системе с опросом, но содержит несколько задач, которые требуют непосредственного доступа к процессору? Необходимо ли отказываться от простой системы с опросом в пользу намного более сложного алгоритма планирования ОСРВ? Ответ будет отрицательным. Как мы указывали в главе 4, микроконтроллер 68HC12 имеет мощную, гибкую систему прерывания с приоритетным управлением. Чтобы обрабатывать простые текущие задачи может применяться алгоритм опроса, в то же время для внеочередной обработки задач требующих немедленного вмешательства может использоваться система прерываний.

Эти типы алгоритмов планирования известны также как системы с передним планом и фоном. Алгоритм опроса рассматривается как фоновая часть операционной системы, в то время как прерывание отвечает за приоритетную часть системы. Обычно, эти системы и разрабатываются по частям. Сначала разрабатывается, выполняется и отлаживается фоновая часть, а затем к ней добавляется часть приоритетного прерывания.

Пример: Обратимся опять к нашему контроллеру стереоусилителя. Транзисторные усилители, используемые в нашем стереопроекте достаточно дороги. В хорошем проекте транзисторы не перегреваются при обычной работе усилителя, чтобы предотвратить их повреждение. Предположим, что для защиты от перегрева проектировщик предусмотрел датчики температуры для каждого транзистора, чтобы постоянно контролировать их текущую температуру. Если температура любого транзистора достигает недопустимого уровня, проектировщик хотел бы, чтобы операционная система включала дополнительные вентиляторы охлаждения. Эта модификация проекта не требует, чтобы мы вообще отказались от схемы опроса. Лучше всего использовать схему опроса в фоновом режиме, чтобы обработать обычное рабочее управление стереоусилителем. В приоритетной части системы, датчики, контролирующие температуру транзисторов, могли бы быть подключены с помощью интерфейса к системе прерывания. Прерывание было бы активизировано при достижении температурой транзистора(ов) неприемлемо высокого уровня. В этом случае процессор должен был бы формировать сигнал, на включение дополнительного вентилятора. Мы исследуем этот проект в применениях, рассмотренных в разделе 8.9 и задании для самостоятельного исследования 2, приведенного в конце главы.

8.5.3. Карусельные системы

В карусельных ОСРВ системах, ядро последовательно переходит от обработки одной активной задачи к другой. Когда оно достигает последней задачи в системе, то начинает снова с первой задачи. В циклической системе, задачам часто позволяют работать до завершения прежде перейти к следующей задаче. Если это недопустимо для каждого прохода через все задачи, может использоваться метод квантования времени. При квантовании времени она каждую задачу цикла выделяется фиксированным временем доступа к процессору. Если за этот период задача не заканчивается, ее контекст сохраняется в связанном с ней TCB, она переводится в состояние готовности, а активной становится следующая задача в циклической последовательности. Карусельная операционная система может быть легко выполнена при использовании структуры данных с круговой очередью. В этом случае, каждый TCB мог бы быть связан с позицией в очереди. Операционная система последовательно переходила бы от одной задачи к другой внутри очереди. А если желательно было бы использовать квантование времени, то это легко было бы реализовать с помощью прерываний в режиме реального времени (RTI) имеющихся в 68HC12.

Пример: В предыдущей профессиональной жизни я (Стивен Ф. Барретт) был наводчиком в военно-воздушных силах. Я вместе с моим партнером отвечал за текущий контроль состояния своих ракет. Мы находились на расстоянии нескольких километров от ракет. Состояние ракеты проверялось по компьютеру в нашем центре управления. Компьютер проводил последовательный циклический опрос состояния каждой из наших ракет. Я не участвовал в проектировании компьютерной операционной системы центра управления; однако, я думаю, что использовалась карусельная система опроса, поскольку состояние каждой ракеты имело равную важность.

8.5.4. Смешанные системы 

Как мы уже видели, карусельная система опроса может также быть дополнена возможностями приоритетного прерывания. Такой тип циклической системы с прерываниями называется смешанной системой. В этом случае, циклический алгоритм формирует фоновую часть из операционной системы, в то время как приоритетная часть системы формируется программой прерываний.

Пример: В сценарии управления ракетами, мы были бы заинтересованы в том, чтобы получить немедленное сообщение о катастрофических событиях, угрожающих одной из управляемых нами ракет, таких как затопление пусковой шахты, пожар в бункере ракеты, нарушение защиты, и т.д. В этих случаях операционная система могла бы быть дополнена частью программы с прерываниями, чтобы мгновенно перейти от обычного циклического опроса, к обработке событий с высоким приоритетом, а после ее окончания вернуться к обычному карусельному опросу.

8.5.5. Системы с управлением по прерыванию