第四章嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)時多任務(wù)設(shè)課件

1、制作者 程麗嵌入式系統(tǒng)概論第四章 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)-實(shí)時多任務(wù)設(shè)計(jì)本章接下來介紹軟硬件功能劃分軟硬件分開設(shè)計(jì)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)時多任務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)時多任務(wù)設(shè)計(jì)起因常規(guī)方法的不足重點(diǎn)并發(fā)性、實(shí)時性設(shè)計(jì)方式傳統(tǒng)方法的實(shí)時性改造要點(diǎn)多任務(wù)劃分基于事件、基于結(jié)構(gòu) DARTS設(shè)計(jì)過程DARTS的設(shè)計(jì)思想把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化成并發(fā)任務(wù)，定義任務(wù)間接口；包括ARTS階段和DRTS階段；ARTS階段：實(shí)時系統(tǒng)需求模型；DRTS階段：實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計(jì)。DARTS設(shè)計(jì)過程開發(fā)過程1. 系統(tǒng)需求定義2. 劃分子系統(tǒng)3. 劃分任務(wù)4. 定義任務(wù)接口5. 任務(wù)設(shè)計(jì)6. 編碼實(shí)現(xiàn)3. 劃分任務(wù)劃分任務(wù)的原則是I/O 依賴性 功能的時間關(guān)鍵性計(jì)

2、算需求功能內(nèi)聚時間內(nèi)聚周期執(zhí)行DARTS設(shè)計(jì)方法I/O 依賴性 DeviceI/O Task App.Task如果變換依賴于I/O，速度受限I/O，可獨(dú)立成任務(wù)在系統(tǒng)中創(chuàng)建與I/O設(shè)備數(shù)目相當(dāng)?shù)腎/O任務(wù)I/O任務(wù)只實(shí)現(xiàn)與設(shè)備相關(guān)的代碼I/O任務(wù)的執(zhí)行只受限于I/O設(shè)備的速度，而不是處理器在任務(wù)中分離設(shè)備相關(guān)性 功能的時間關(guān)鍵性將有時間關(guān)鍵性（deadline）的功能分離出來， 組成獨(dú)立運(yùn)行的任務(wù)賦予這些任務(wù)高的優(yōu)先級，以滿足對時間的需要event 1event 2Task 1Task 2Task 3Task 3deadline 1deadline 2Task 2 計(jì)算需求計(jì)算需求計(jì)算量大的功

3、能占用CPU的時間多，把計(jì)算功能捆綁成任務(wù)，以消耗CPU的剩余時間賦予計(jì)算任務(wù)較低優(yōu)先級, 能被高優(yōu)先級的任務(wù)搶占，保持高優(yōu)先級的任務(wù)是輕量級的多個計(jì)算任務(wù)可安排成同優(yōu)先級，按時間片循環(huán)輪轉(zhuǎn)功能內(nèi)聚將緊密相關(guān)的功能變換組成一個任務(wù)，減少通信的開銷把每個變換都作為同一任務(wù)中一個個獨(dú)立的模塊，不僅保證了模塊級的功能內(nèi)聚，也保證了任務(wù)級的功能內(nèi)聚event 1F1(x) + F3(x)event 2F2(x)時間內(nèi)聚將在同一時間內(nèi)完成的各功能（即使這些功能是不相關(guān)的）形成一個任務(wù)功能組的各功能是由相同的外部事件驅(qū)動的（如時鐘等），這樣每次任務(wù)接收到一個事件，它們都可以同時執(zhí)行由于減少了任務(wù)調(diào)度及切換

4、的次數(shù)，減少了系統(tǒng)的開銷Clock TickeventF1(x) + F2(y)+F3(z)F4(x)+F5(y)周期執(zhí)行10HZF1F2F1F210HZ15HZ15HZ一個需要周期執(zhí)行的變換可以作為一個獨(dú)立的任務(wù)，按一定的時間間隔被激活將在相同周期內(nèi)執(zhí)行的各功能組成一個任務(wù)頻率高的任務(wù)賦予高優(yōu)先級4. 定義任務(wù)接口任務(wù)間的接口采用如下兩個模塊任務(wù)間通信模塊TCM（Task Communication Module）任務(wù)同步模塊TSM（Task Synchronization Module）DARTS設(shè)計(jì)方法任務(wù)間通信模塊DARTS支持兩類不同的TCM（任務(wù)間通信模塊）消息通信模塊信息隱藏模塊

5、消息通信模塊任務(wù)間通信模塊松耦合消息通信消息隊(duì)列包括二進(jìn)制信號量，用于互斥事件同步用來在隊(duì)列滿時掛起生產(chǎn)者，隊(duì)列為空時掛起消費(fèi)者每個消息隊(duì)列限制了最大長度每個消息隊(duì)列都和一個事件相連，由事件激活任務(wù)緊耦合消息通信發(fā)送和接收隊(duì)列各有一個元素任務(wù)間通信模塊任務(wù)間通信模塊任務(wù)間通信模塊信息隱藏模塊系統(tǒng)中可能有一些資源如查詢數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)池和數(shù)據(jù)存儲區(qū)等可以被兩個或更多的任務(wù)共享使用，或是只讀，或是可讀可寫數(shù)據(jù)存儲區(qū)寫數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)任務(wù)A任務(wù)B任務(wù)同步模塊任務(wù)同步用事件來實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)任務(wù)等待一個事件的發(fā)生，或源任務(wù)發(fā)送事件信號激活目標(biāo)任務(wù)源S：發(fā)事件信號(E)S目標(biāo)D：等待事件(E)D任務(wù)同步模塊TSM任

6、務(wù)界面在DARTS中任務(wù)界面按照以下規(guī)則統(tǒng)一若傳遞信息的任務(wù)與接收信息的任務(wù)運(yùn)行速度不同，用松耦合消息序列若傳遞信息的任務(wù)只有在收到接收者的回答后才能繼續(xù)執(zhí)行，用緊耦合消息/應(yīng)答如果只是需要事件發(fā)生的通告，沒有數(shù)據(jù)傳輸，用事件信號需要被兩個或多個任務(wù)引用的數(shù)據(jù)區(qū)被處理成一個消息隱藏模塊每個等待多個事件的任務(wù)都需要一個任務(wù)同步互斥模塊 DARTS設(shè)計(jì)方法5. 任務(wù)設(shè)計(jì)詳細(xì)說明系統(tǒng)中各任務(wù)的設(shè)計(jì)考慮和執(zhí)行流程，以利于程序員編制程序，包括：任務(wù)體系結(jié)構(gòu)：詳細(xì)定義任務(wù)包含的子模塊和模塊間的關(guān)系任務(wù)執(zhí)行流程：盡可能詳細(xì)地描述任務(wù)的處理過程任務(wù)內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)任務(wù)內(nèi)模塊間接口5. 任務(wù)設(shè)計(jì)（續(xù)）- 模塊構(gòu)筑系統(tǒng)

7、和任務(wù)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行每個模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，直到每個具體的函數(shù)；在單元測試前不必編完模塊全部程序，可以分階段編碼和測試；模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)一氣呵成，避免系統(tǒng)以非結(jié)構(gòu)化方式形成。 DARTS設(shè)計(jì)方法5. 任務(wù)設(shè)計(jì)（續(xù)）- 任務(wù)與系統(tǒng)集成模塊逐個連接、測試以構(gòu)成任務(wù)任務(wù)被逐個連接和測試形成最終系統(tǒng)可分兩步集成在宿主機(jī)上模擬集成（軟集成）在目標(biāo)機(jī)上集成 DARTS設(shè)計(jì)方法實(shí) 例 說 明機(jī)器人控制器系統(tǒng)控制設(shè)備由內(nèi)部控制器和外部控制面板組成控制器控制六個轉(zhuǎn)軸，并與數(shù)字I/O傳感器交互作用。轉(zhuǎn)軸和I/O由程序控制該程序由控制面板操作啟動執(zhí)行上電手動停止結(jié)束斷電運(yùn)行程序選擇控制面板實(shí) 例 說 明機(jī)器人控制器系

8、統(tǒng)按下“上電”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入了上電狀態(tài)。上電成功后，系統(tǒng)進(jìn)入手動狀態(tài)。此時，操作者可以通過程序選擇開關(guān)選擇程序按下“運(yùn)行”按鈕，則選定的程序開始運(yùn)行，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。程序運(yùn)行中如果按下“停止”鍵，程序被掛起操作者可按下“運(yùn)行”鍵，使程序恢復(fù)執(zhí)行，也可按下“結(jié)束”鍵，結(jié)束程序。按下“結(jié)束”鍵后，系統(tǒng)進(jìn)入終止態(tài)。當(dāng)程序最終終止執(zhí)行時，系統(tǒng)返回手動狀態(tài)。 控制執(zhí)行過程需求分析與說明斷電態(tài)通電態(tài)手動態(tài)運(yùn)行態(tài)終止態(tài)掛起態(tài)上電上電成功斷電運(yùn)行程序選擇程序終止結(jié)束運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)變遷圖結(jié)束機(jī)器人控制器數(shù)據(jù)流圖程序面板輸入有效性檢查解釋程序各語句讀傳感器處理面板輸入 處理I/O命令處理動作命令向傳感器輸出輸出動作

9、軸數(shù)據(jù)接收確認(rèn)輸出到面板軸控制器讀面板 輸入按下按鈕輸入值 有效值 運(yùn)行 停止 結(jié)束動作命令動作確認(rèn)I/O命令傳感器值輸入狀態(tài)值控制值控制輸出值顯示燈 停止恢復(fù)軸數(shù)據(jù)軸確認(rèn)軸輸入軸輸出動作數(shù)據(jù)I/O時間內(nèi)聚時間內(nèi)聚功能內(nèi)聚控制面板輸入處理器控制面板處理器控制面板輸出處理器動作軸管理器軸控制器命令解釋器傳感器輸入傳感器輸出按下按鈕燈程序傳感器I/O數(shù)據(jù)存儲輸出輸入機(jī)器人控制器的任務(wù)結(jié)構(gòu)圖軸I/O動作應(yīng)答動作數(shù)據(jù)恢復(fù)停止軸命令軸應(yīng)答結(jié)束啟動任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)基本設(shè)計(jì)原則盡量簡單使用靜態(tài)表盡量減少動態(tài)性恰當(dāng)?shù)娜蝿?wù)數(shù)目使用有限狀態(tài)自動機(jī)輔助設(shè)計(jì)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)減少預(yù)留接口盡量簡單不存在完善方法任何的設(shè)計(jì)都只能盡量好，不可能最優(yōu)。以成本為基準(zhǔn)開發(fā)計(jì)劃易實(shí)現(xiàn)，成本費(fèi)用可控制，軟件質(zhì)量有保障不能過于強(qiáng)調(diào)精簡軟件具有可讀性、可移植性、易維護(hù)常用模型和方法原型模型、增量模型、組件構(gòu)件方法使用靜態(tài)表系統(tǒng)運(yùn)行前，根據(jù)各任務(wù)的實(shí)時要求生成一張任務(wù)的運(yùn)行時間表，指明各任務(wù)的起始運(yùn)行時間以及運(yùn)行長度運(yùn)行時間表生成后，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不再變化系統(tǒng)運(yùn)行時，調(diào)度器只需根據(jù)這張表在指定的時刻啟動相應(yīng)的實(shí)時任務(wù)減少動態(tài)性特點(diǎn)決定嵌入式系統(tǒng)中，時間資源非常