1、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器研發(fā)中的應(yīng)用摘要：本文介紹了實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的基本概念以及利用其進(jìn)行開(kāi)發(fā)的突出優(yōu)點(diǎn)，并以清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的開(kāi)發(fā)為例，詳細(xì)介紹了其軟件的設(shè)計(jì)方案：論文著重討論了應(yīng)該根據(jù)什么樣的原則將目標(biāo)系統(tǒng)劃分為相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，如何賦予每個(gè)任務(wù)一定的優(yōu)先級(jí)，提供一個(gè)將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核置入目標(biāo)系統(tǒng)的比較具體的方法。關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核任務(wù)調(diào)度勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一引言在控制和信息技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和使用已經(jīng)相當(dāng)普及了。將實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核引入嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，可以說(shuō)是信息、控制領(lǐng)域的一次革命，它先進(jìn)的開(kāi)發(fā)思想和優(yōu)良的性能是非常值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的。采用實(shí)時(shí)內(nèi)核

2、能夠大大提高控制產(chǎn)品的研制效率，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，更有利于多人的分工協(xié)作，這些優(yōu)點(diǎn)將促進(jìn)它在國(guó)內(nèi)更快的推廣。大型發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制是提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的最有效且經(jīng)濟(jì)的手段。隨著三峽電站的建設(shè)以及全國(guó)電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，我國(guó)的電網(wǎng)必然是一個(gè)帶有復(fù)雜外部干擾和參數(shù)不確定性的非線性大系統(tǒng)，如何設(shè)計(jì)分散的控制裝置使系統(tǒng)對(duì)外部及內(nèi)部的不確定性具有強(qiáng)魯棒性是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)重大課題。但是，真正要運(yùn)用非線性魯棒控制策略取得效益，往往對(duì)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的運(yùn)算控制能力提出很高的要求。而現(xiàn)在的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器卻在這方面有明顯不足。因此，提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的運(yùn)算速度和運(yùn)算能力，提高它的實(shí)時(shí)處理能力，縮短控制周期，是研究

3、和設(shè)計(jì)新一代勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的重點(diǎn)之一。本文將以清華大學(xué)國(guó)家電力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)改造方案為實(shí)例，說(shuō)明如何有效的將文張秀廷黎雄林貴臣嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核應(yīng)用到一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)中。希望能通過(guò)這個(gè)實(shí)例提供將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核置入目標(biāo)系統(tǒng)的一個(gè)比較具體的方法。二實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的基本特征實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一個(gè)派生產(chǎn)物。它沒(méi)有操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)等龐大內(nèi)容，它所具有的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中最為重要的內(nèi)容，即多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度和任務(wù)的定時(shí)和同步操作。實(shí)時(shí)內(nèi)核分為兩種：非搶占式內(nèi)核和搶占式內(nèi)核。是一個(gè)搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。它是的縮寫(xiě)，年美國(guó)工程師試圖為位單片機(jī)開(kāi)發(fā)一個(gè)微小但實(shí)用的內(nèi)核，因此而

4、誕生，并且其源代碼已在上公開(kāi)。如上所述，僅僅是一個(gè)內(nèi)核，而不是一種新的操作系統(tǒng)，它沒(méi)有操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)器管理和文件系統(tǒng)這兩部分，而且關(guān)于進(jìn)程、進(jìn)程調(diào)度和進(jìn)程間通訊的內(nèi)容也較操作系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，減少了內(nèi)核本身的代碼量，降低了應(yīng)用的復(fù)雜程度，又保留了實(shí)時(shí)多任務(wù)的基本特征，因此特別適合于嵌入式的應(yīng)用方式。內(nèi)核的所有課題都是圍繞任務(wù)展開(kāi)的。每個(gè)任務(wù)代表了用戶需要目標(biāo)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行的一項(xiàng)或幾項(xiàng)功能，在設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就應(yīng)該將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)劃分為多個(gè)相互間相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)。任務(wù)都有對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)相對(duì)低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在占用方面有更多的特權(quán)。在設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)使最重要的、不應(yīng)該被中止的任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)。

5、每個(gè)任務(wù)有種狀態(tài)：休眠、就緒、運(yùn)行、等待、中斷。內(nèi)核為實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用程序提供任務(wù)調(diào)度和轉(zhuǎn)換、任務(wù)間通信、定時(shí)器等服務(wù)，并作為系統(tǒng)調(diào)用提供給任務(wù)使用。實(shí)時(shí)內(nèi)核以事件為基礎(chǔ)、根據(jù)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)對(duì)任務(wù)進(jìn)行切換，任務(wù)的狀態(tài)也隨之相應(yīng)改變。在實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)存中存在多個(gè)任務(wù)控制塊以及各2004 . 10T ECHNOLOGY 技術(shù)前沿個(gè)任務(wù)獨(dú)立的私有堆棧。進(jìn)行任務(wù)切換首先要保存寄存器內(nèi)容到當(dāng)前任務(wù)堆棧，將堆棧指針保存到當(dāng)前的任務(wù)控制塊中，然后從新的任務(wù)控制塊中裝載堆棧指針，并將新任務(wù)的上下文裝載到寄存器中。這樣就從一個(gè)任務(wù)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。任務(wù)使用實(shí)時(shí)內(nèi)核提供的定時(shí)器系統(tǒng)調(diào)用，可以保持休眠狀態(tài)一段

6、時(shí)間，或者等待一段時(shí)間后成為就緒狀態(tài)。在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中，外部中斷事件產(chǎn)生的任務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)，因而以搶占方式獲得控制權(quán)。影響實(shí)時(shí)內(nèi)核性能的幾個(gè)主要因素為了評(píng)價(jià)一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的整體性能如何，是否能夠穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，通常可以從以下幾個(gè)方面考慮：這些因素不僅適用于，它們可用于評(píng)價(jià)任何嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核。任務(wù)切換時(shí)間任務(wù)切換時(shí)間通常只與的結(jié)構(gòu)有關(guān)。各種不同微處理器的在保存現(xiàn)場(chǎng)時(shí)入棧的寄存器數(shù)目各不相同，因此其需要執(zhí)行的指令數(shù)目有較大差異，而且不同的總線時(shí)鐘頻率也不一樣，這些都是決定任務(wù)切換時(shí)間的因素。中斷響應(yīng)速度這是決定該內(nèi)核實(shí)時(shí)性的一個(gè)主要因素，其意義為在最壞的情況下，內(nèi)核響應(yīng)一個(gè)中斷需要多少時(shí)間。在此

7、時(shí)間內(nèi)，保證所有的中斷請(qǐng)求都能得到處理。確定性對(duì)于實(shí)時(shí)內(nèi)核，確定性是其基本要求。具體的說(shuō)，就是其所有的操作，即任務(wù)調(diào)度、同步和通訊等的結(jié)果不隨系統(tǒng)中任務(wù)的數(shù)目而變化。而且，中，除了時(shí)鐘中斷的處理外，其它操作的執(zhí)行時(shí)間也與任務(wù)的數(shù)目無(wú)關(guān)，各操作針對(duì)某個(gè)來(lái)說(shuō)所需的時(shí)間都是明確清楚的。三、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的總體思路以及任務(wù)劃分軟件功能描述及多任務(wù)功能劃分為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的功能，軟件必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，脈沖發(fā)生，控制規(guī)律的計(jì)算，系統(tǒng)定時(shí)及時(shí)鐘，數(shù)碼管顯示的更新，鍵盤(pán)響應(yīng)，上位機(jī)通訊接口，系統(tǒng)通訊接口等幾個(gè)模塊，其中前面三個(gè)模塊的功能與時(shí)間（或系統(tǒng)定時(shí)）密切相關(guān)。下面將功能具體化、模塊化：

8、完成一次采樣，通道采樣數(shù)據(jù)同時(shí)采樣保持。實(shí)時(shí)要求：很高采用六相脈沖發(fā)生電路，即約完成一次2004 . 10脈沖發(fā)送。實(shí)時(shí)要求：很高完成一次控制規(guī)律的計(jì)算對(duì)于板的運(yùn)算能力，曾經(jīng)作過(guò)測(cè)試。對(duì)于非線性魯棒勵(lì)磁控制規(guī)律，僅用微秒即可完成運(yùn)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通（如等）。實(shí)時(shí)要求：很高完成一次系統(tǒng)時(shí)間修正維護(hù)了一個(gè)時(shí)鐘，記錄了當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分、秒。修改當(dāng)前時(shí)鐘是每進(jìn)行一次。時(shí)鐘維護(hù)的實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，因此，該模塊的實(shí)時(shí)性要求：很高控制參數(shù)的讀取和存儲(chǔ)每進(jìn)行一次每讀一次控制參數(shù)，并將其保存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。實(shí)時(shí)要求：一般上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，并針對(duì)上位機(jī)不同命令，將處

9、理結(jié)果送回上位機(jī)。這里是主發(fā)送設(shè)備，不用擔(dān)心發(fā)送過(guò)程中出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況，所以該模塊實(shí)時(shí)性要求：一般上位機(jī)命令接收上位機(jī)發(fā)送到的數(shù)據(jù)讀取或者設(shè)置命令，這些命令必須為下位機(jī)完全接收，不允許出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。在單任務(wù)環(huán)境下，數(shù)據(jù)丟失不太常見(jiàn)，但使用多任務(wù)平臺(tái)時(shí)，由于存在多種優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)處理結(jié)束前，低優(yōu)先級(jí)的串口讀取任務(wù)就沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行讀操作，導(dǎo)致命令數(shù)據(jù)的丟失。實(shí)時(shí)要求：高系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送與上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送情況類似。實(shí)時(shí)要求：一般系統(tǒng)命令接收與上位機(jī)命令接收情況類似。實(shí)時(shí)要求：高鍵盤(pán)掃描系統(tǒng)的狀態(tài)隨著時(shí)間變化，因此必須以可以接受的時(shí)間間隔來(lái)更新顯示內(nèi)容。現(xiàn)設(shè)定該刷新時(shí)間間隔為秒鐘。實(shí)時(shí)要求

10、：低上面將的功能劃分為個(gè)任務(wù)，并對(duì)這些任務(wù)的實(shí)時(shí)要求作出了分析。在實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)中，任務(wù)的實(shí)時(shí)要求越高，對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)就應(yīng)該越高。另外，需要增加一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)來(lái)提供準(zhǔn)確的事件流，以及一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)任務(wù)來(lái)完成程序的主循環(huán)。一般而言，每個(gè)任務(wù)在大部分時(shí)候都處于等待狀態(tài)，只有所需的條件滿足后，才能進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。下面著重講述應(yīng)該根據(jù)什么原則來(lái)將整體的設(shè)計(jì)目標(biāo)劃分為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)模塊，如何給每個(gè)任務(wù)賦予一定的優(yōu)先級(jí)，以及作者長(zhǎng)期應(yīng)用中的一些體會(huì)。任務(wù)劃分的原則任務(wù)根據(jù)三種不同的事件：中斷驅(qū)動(dòng)事件、輪詢事件、輸出事件來(lái)構(gòu)造任務(wù)。輪詢事件通常由個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)內(nèi)核以固定周期對(duì)此任務(wù)進(jìn)行調(diào)度；輸出事件常被設(shè)計(jì)

11、為可重入程序而不是任務(wù)；中斷驅(qū)動(dòng)事件是一類典型的異步事件。對(duì)于中斷事件要合理劃分事件的處理級(jí)別，盡可能多地在任務(wù)級(jí)處理，從而最小化系統(tǒng)中斷延遲。隊(duì)列是內(nèi)核提供的一種任務(wù)間通訊結(jié)構(gòu)，支持消息發(fā)送者和接收者異步訪問(wèn)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)及時(shí)響應(yīng)中斷事件，并不關(guān)心接收任務(wù)的狀態(tài)。內(nèi)部任務(wù)系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)可以分為：（）周期性任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核基于固定周期調(diào)度的任務(wù)；（）異步任務(wù)非周期或事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)，內(nèi)核根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)度，用于處理系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的事件；（）控制對(duì)象為狀態(tài)機(jī)創(chuàng)建的控制任務(wù)，用于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換；（）用戶接口對(duì)應(yīng)于用戶任務(wù)，在用戶驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中，用戶任務(wù)具有高優(yōu)先級(jí)。在異步任務(wù)中，驅(qū)動(dòng)任務(wù)的異步數(shù)據(jù)是由實(shí)時(shí)內(nèi)核

12、提供的任務(wù)間通訊數(shù)據(jù)。內(nèi)核為應(yīng)用程序提供信號(hào)量、消息隊(duì)列、消息郵箱、插口或管道等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行事件管理和任務(wù)間通訊。設(shè)計(jì)這些異步任務(wù)時(shí)采用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、正確定義數(shù)據(jù)能夠節(jié)省寶貴的調(diào)試時(shí)間，而且任務(wù)處理的函數(shù)不能太多，過(guò)于復(fù)雜，否則會(huì)增加調(diào)試的難度。任務(wù)合并利用任務(wù)的共同特征進(jìn)行合適的任務(wù)合并，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)任務(wù)模型、減少系統(tǒng)復(fù)雜度、消除某些任務(wù)的切換開(kāi)銷，從而減少系統(tǒng)的總體開(kāi)銷。任務(wù)合并可分為：（）根據(jù)時(shí)間一致合并，將同一事件激活的優(yōu)先級(jí)相同的函數(shù)合并在一個(gè)任務(wù)中；（）根據(jù)控制一致合并，將一個(gè)控制結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的所有函數(shù)組合在一個(gè)任務(wù)中；（）根據(jù)函數(shù)一致合并，將幾個(gè)使用相同數(shù)據(jù)的函數(shù)合并，使原來(lái)共享的數(shù)

13、據(jù)成為任務(wù)內(nèi)的局部數(shù)據(jù)，從而減少互斥。任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配所依據(jù)的原則實(shí)時(shí)性原則一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在它能夠?qū)δ承┩獠渴录鞒黾皶r(shí)響應(yīng)，因此，分配任務(wù)的優(yōu)先級(jí)應(yīng)按實(shí)時(shí)性要求的順序，實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高，實(shí)時(shí)性要求低的優(yōu)先級(jí)低。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度要求確定的類型以及工作時(shí)鐘，采用高速的能夠大大提高系統(tǒng)對(duì)中斷和事件的響應(yīng)速度。之所以能在和上達(dá)到很快的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，很重要的原因是其內(nèi)核的簡(jiǎn)單性，這樣它就有比大型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)小得多的額外負(fù)擔(dān)。事件發(fā)生頻率原則在實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，一般給予頻率高的事件所對(duì)應(yīng)的處理任務(wù)以更高的優(yōu)先級(jí)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中所有的事件一般需要得到及時(shí)處理，即

14、事件響應(yīng)時(shí)間與對(duì)應(yīng)任務(wù)的操作時(shí)間之和不能超過(guò)事件發(fā)生的周期。從這一點(diǎn)上講，高頻事件對(duì)的要求更迫切一些。任務(wù)操作時(shí)間原則如果兩個(gè)事件處理的實(shí)時(shí)性、事件發(fā)生的頻率都基本相同，那么應(yīng)該根據(jù)事件對(duì)應(yīng)的處理任務(wù)的操作時(shí)間來(lái)確定該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。操作時(shí)間短的任務(wù)享有更高的優(yōu)先級(jí)。這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)在于，使得系統(tǒng)能夠在一定的時(shí)間內(nèi)處理更多的事件，提高的利用率。系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題多任務(wù)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)、調(diào)試中最常碰到的問(wèn)題是任務(wù)堆棧容量不足。如果某個(gè)任務(wù)的堆棧沒(méi)有足夠的空間，內(nèi)核會(huì)因此而發(fā)生錯(cuò)誤，使程序指針完全失控，即通常所說(shuō)的“跑飛”。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)中有多個(gè)任務(wù)，以及多個(gè)中斷，在任一時(shí)刻想知道在哪個(gè)任務(wù)執(zhí)行時(shí)發(fā)生了哪個(gè)中斷是很困難的。一旦堆棧溢出，一般不太可能找到錯(cuò)誤出現(xiàn)在程序的什么位置。預(yù)防這個(gè)問(wèn)題比較有效的