嵌入式系统中的实时调度算法研究

并行计算中的任务调度技术研究

并行计算已经成为现代计算机科学的重要组成部分，它可以显著提高计算机应用程序的计算速度和效率。在并行计算中，任务调度技术是决定应用程序性能和计算机系统性能的关键因素之一。因此，研究如何优化并行计算中的任务调度技术成为当前计算机科学中的热门研究领域之一。

一、什么是并行计算

并行计算通常指的是同时执行多个计算任务的计算模式。这些计算任务可以在同一时间内由多个处理器执行，也可以在相同的处理器上通过时间共享来执行。并行计算的最终目的是提高计算效率。

并行计算可以通过多种方式实现。最常见的方式是使用多个计算机节点在网络上协同工作。在这个模型中，每个节点可以具有单个或多个处理器，这取决于节点的处理性能和可用资源。节点之间的数据通信可以通过高速网络实现。

二、任务调度

在并行计算中，任务调度是指将并行程序中的任务动态分配到不同的处理器或节点上，以实现程序的最优性能。任务调度通常包括以下几个步骤： 1.任务划分

将并行程序划分成多个子任务。由于不同的子任务在计算复杂度和计算负载上可能存在差异，因此任务划分的目的是尽可能均衡划分这些子任务。

2.任务分配

将子任务分配给不同的处理器或节点。任务分配通常需要考虑处理器和节点之间的负载均衡、任务执行时间、数据传输和通信时间等因素。

3.任务调度

在任务分配之后，每个处理器或节点都会执行特定的子任务。任务调度是指动态调整任务的执行顺序、分配计算资源和优化数据传输，以实现程序的最优性能。

三、任务调度技术

为了实现并行计算中的任务调度，研究者们开发了各种各样的任务调度技术。这些技术可以根据不同的策略，将任务分配到最合适的处理器或节点上。

1.静态任务调度 静态任务调度是指在程序启动时将所有任务动态分配给处理器或节点的任务调度方式。它通常是在任务之间相互不依赖、计算负载较为均衡的情况下使用的。

2.动态任务调度

动态任务调度是指在程序运行时，通过监视不同处理器或节点的计算负载和执行情况来决定任务分配和调度的方式。这种方式可以避免任务严重不平衡而导致系统效率下降的问题。

第２２００１　０年琶　期　年ｌ２月　计算机技术与发展　）＾　丌ＥＲ　ＴＥａ｛Ｎ０“）ＧＹ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ　ＶｏＩ．２０　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２０１０　一种新型的实时调度算法　宋　杰，檀林欣，曹竹冬，王书菊　（安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥２３００３９）　摘要：在嵌入式系统中，系统的实时性很大程度上取决于任务调度策略。对如何提高系统实时性的研究已经成为该领　域的一大热点。文中针对传统的忽略了作业所能承受的等待时间的能力仅以等待时间的长短而来衡量优先级的先来先　服务（ＦＣｒＳ）算法，和仅以任务的周期长短来设置优先级而导致那些周期长但急需要执行的任务无法被调度的速率单调　（ＲＭ）算法的缺陷，提出一种新的动态设置优先级的方法～剩余时间法。该方法以任务的等待时间和周期共同来决定优　先级。通过分析和实验表明该方法兼具ＲＭ和Ｆ℃ＦＳ的优点。它不仅考虑到短周期任务应优先执行，而且同时也把任务　等待时间作为评价优先级的重要因素，实验结果证实了该方法能更有效地提高实时任务的完成率和ＣＰＵ的利用率。　关键词：等待时间；周期；ＲＭ算法；剩余时间算法；任务的完成率；ＣＰＵ利用率　中图分类号：１］Ｐ３Ｏ１．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—６２９Ｘ（２０１０）ｌ２—００７３—０４　Ａ　Ｎｅｗ　Ｒｅａｌ。＿。Ｔｉｍｅ　Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ＳＯＮＧ　Ｊｉｅ，ＴＡＮ　Ｌｉｎ—ｘｉｎ，ＣＡＯ　Ｚｈｕ－ｄｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｓｈｕ－ｊｕ　（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕ．Ｋｅｙ　Ｌａｂ．ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖ．，Ｈｅｆｅｉ　２３００３９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｌａｒｇｅｌｙ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｈｏｗ　ｔＯ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｅｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔＯ　ｓａｔｉｓｆｙｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｈａｓｂｅｃｏｍｅ　ａｈｏｔｓｐｏｔｉｎｔｈｉｓ　ａ】　．Ｆｏｒｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆｉｒｓｔ　ｅｏｎａｅｆｉｒｓｔ　ｓｅｒｖｅｒ（ＦＣＦＳ）ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｐｒｉｏｒｉｔｙｏｎｌｙｂｙｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｗａｉｔｉｎｇ—ｔｉｍｅｂｕｔｉｇｎｏｒｅｓｔｈｅ　ｅｎｄｕｒａｎｃｅｏｆｔｈｅｊｏｂ’Ｓｗａｉｔｉｎｇ　—ｔｉｍｅ，ａｎｄ　ｒａｔｅｍｏｎｏｔｏｎｉｃ（ＲＭ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｊｕｓｔｍ￣ｕｒｅｊｏｂｓ’ｐｒｉｏｒｉｔｙ　ｂｙｔｈｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆｊｏｂｓ’ｌｉｆｅ　ｃｙｃｌｅ　ｂｕｔｍａｋｅｓｔｈｅｅｗｈｏ　ｈａｖｅ　ａｌｏｎｇ　ｌｉｆｅｐｅｒｉｏｄ　ａｎｄ　ｕｒｇｅｎｔｌｙｎｅｅｄｅｄｔＯｂｅ　ｅｘｅｃｕｔｅｄ　ｃａｎ’ｔｂｅｓｃｈｅｄｕｌｅｄ，ａｉｍｉｎｇ　ａｔｔｈｏｓｅ，ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｏｆ　ｓｅｔｔｉｎｇｐｒｉｏｒｉｔｉｅｓｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ～ｔｈｅ　ｒｅｓｔ　ｔｉｍｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｍｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ｎｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｐｒｉｏｒｉｔｙｂｙｊｏｂｓ’ｗａｉｔｉｎｇ—ｔｉｍｅ　ａｎｄｌｉｆｅ　ｃｙｃｌｅｔｏｇｅｔｈｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙ－　ｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｅｅｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｓｔｈｅｅｄｖａｎｔａｇｅｏｆｂｏｔｈＲＭ　ａｎｄＲ：ＦＳ．Ｉｎｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ．ｔａｓｋｓ　ａｒｅｇｉｖｅｎｐｒｉｏｒｉｔｙｎｏｔｏｎｌｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｌｉｒｅ—ｃｙｃｌｅ。ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔａｓｋ’Ｓ　ｗａｉｔｉｎｇ—ｔｉｍｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｃａｎ　ｌａｒｇｅｌｙ　ｉｍｐｍｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｔａｓｋ’Ｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ＣＰＵ’Ｓ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｉｔｉｎｇ—ｔｉｍｅ；ｌｉｆｅ—ｃｙｃｌｅ；ＲＭ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｒｅｓｔ　ｔｉｍｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｔａｓｋ’Ｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｒａｔｅ；ＣＰＵ’Ｓ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｏ引　言　随着嵌入式系统的不断发展和广泛应用，对其提　出的实时性［Ｌ２Ｊ要求也越来越高。嵌入式实时操作系　统既是一种嵌入式操作系统又是一种实时操作系统。　从嵌入式操作系统角度而言，它的特点是：低功耗和可　裁剪；而作为实时操作系统而言，更重要的是要能及时　地处理和响应事务，从而达到实时性的要求。所谓的　实时性是指系统能够在限定的时间内完成任务并对外　部的异步事件做出及时响应。对于如何在规定的时间　内，尽可能更快更多地完成给定的任务，以满足实时性　的要求，…・直是一个重要的研究课题。而任务调度策　收稿日期：２０１０—０４—０９；修回臼期：２０１０一Ｏ７—１３　基金项目：安徽省教育科研项目（２００８ｊｙｘｒｎ２７７）　作者简介：宋杰（１９６６～），男，副教授，硕士生导师，研究方向为嵌　入式系统、计算机原理与接口、生物信息学。　略在很大程度上决定了系统实时性的好坏。近年来，　任务调度方面的研究成果层出不穷，产生了许多实时　调度算法［３－－６Ｊ。　在实时任务调度中，可以用任务的等待时间来做　为优先级的评价标准，也就是说任务等待的时间越长，　它的优先级越高。例如ＦＣＦＳ算法［７】，虽然这类算法　容易实现．但效率不高，只顾及作业等候时间，没考虑　作业所能承受等待时间的长短。另外也可以根据任务　的执行周期的长短来决定调度优先级，那些具有较短　的执行周期的任务具有较高的优先级。例如ＲＭ算　法［１，８，９，１０，１１　Ｊ，ＲＭ算法具有运行开销小和能将频率高　的任务顺利完成的特点，但没有考虑到任务的等待时　间，造成那些周期长但急需要执行的任务无法被调度。　基于这两种算法的优缺点，文中提出了一种新的算法，　

嵌入式系统中的RTOS实时调度算法

嵌入式系统中使用的RTOS（Real-time Operating System，实时操作系统）具有很高的实时性和可靠性。如何保证系统的实时性是RTOS设计中的一个重要问题。实时调度算法作为项目的关键之一，是保证实时性的重要手段。本文将从多个角度来探讨嵌入式系统中的RTOS实时调度算法。

实时调度算法

实时调度算法是RTOS中的一个重要组成部分。调度算法的目标是将系统中的任务分配给处理器，并控制它们的执行顺序，使得系统具有高的实时性和可靠性。在RTOS中，调度算法主要分为两类：非抢占式调度和抢占式调度。

非抢占式调度

非抢占式调度是以任务优先级为主要依据的调度算法。当一个任务在执行时，其他任务不能抢占它的CPU时间，并且优先级高的任务会被先执行。这种调度算法能够保证高优先级任务得到及时处理，但是如果低优先级任务持续执行，就会导致高优先级任务的延迟。

抢占式调度

抢占式调度是一种任务可以被其他任务抢占的调度算法。当高优先级任务出现时，系统会抢占当前执行的低优先级任务，并且执行高优先级任务。这种算法能够保证系统的实时性，但是会导致低优先级任务无法及时完成。

调度算法的实现

在RTOS中，实时调度算法的实现有很多种方法。其中较为常见的方法有以下几种。

1. 抢占式优先级调度算法

在抢占式优先级调度算法中，每个任务分配一个优先级，当有多个任务同时争夺CPU资源时，会根据它们的优先级来进行调度。当高优先级任务出现时，系统会抢占当前执行的低优先级任务，并且执行高优先级任务。这种算法能够保证系统的实时性。但是优先级反转问题会使得高优先级的任务无法及时得到执行。

2. 时间片轮转调度算法

时间片轮转调度算法是一种基于时间片的抢占式调度算法。每个任务执行一段时间后，将CPU资源让给下一个任务。当任务数较多时，会出现“饥饿现象”，低优先级任务可能无法得到执行，影响系统实时性。

3. 基于任务数的调度算法

基于智能算法的多机协同调度技术研究

近年来，工厂和企业中机器的数量不断增加，机器的复杂性和性能也在不断提高。从而使得更多的机器用于自动化生产，这给生产带来了更高的效率和更少的错误。但是，在某些情况下，有必要协调多个机器之间的工作。在这种情况下，需要一些关于多机协同调度技术的研究和实践。

在现代生产系统中，多机协同调度技术扮演着非常重要的角色。基于智能算法的多机协同调度技术是其中的一种技术。这种技术可以让每个机器都保持高效的工作状态，在保证质量的前提下，最大化产量。同时，这种技术不仅可以缩短生产周期、提高生产效率，还可以降低生产成本、减少资源浪费等。

智能算法是一种计算模型，它模仿人类的思考过程，将问题转化为数字计算的形式，通过计算机等工具进行求解。在多机协同调度技术中，基于智能算法的方法可以有效地帮助解决协调和调度问题。这些算法还可以简化调度过程，降低时间成本和减少错误的产生。

需要说明的是，基于智能算法的多机协同调度技术并不是万能的，它还有一些局限性。对于大规模的生产，这种方法需要消耗大量的计算资源和时间。同时，由于生产环境的不确定性，以及机器的各种故障和失效，预测现实生产中的情况往往是不现实的。 在实践中，基于智能算法的多机协同调度技术可以采用多种算法，包括遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、粒子群算法等。这些算法都具有自适应、强鲁棒性、局部搜索等优点，可以适应不同的调度问题。

在多机协同调度技术中，最重要的是任务分配和机器调度两个问题。任务分配是指将生产任务分配给不同的机器，使得每个机器都能得到相等的负载，并且保证任务的优先级得到满足，达到最佳生产效率。而机器调度是指对机器进行定时指派，使其处理任务的时间最短，从而避免浪费时间和资源。

调度的效果不仅取决于算法，而且还与一些重要参数有关。例如任务的数量，工期限制和完成时间等。这些参数应该在确定调度方案时进行仔细考虑。此外，在调度过程中，还需要考虑到生产车间的情况，比如环境和设备的安排，维护需求等等。