實(shí)時(shí)性保障設(shè)計(jì)：多級(jí)中斷系統(tǒng)與任務(wù)調(diào)度優(yōu)化
在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性保障是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和高效處理任務(wù)的關(guān)鍵。特別是在涉及硬實(shí)時(shí)任務(wù)（如DMA傳輸）時(shí)，合理設(shè)計(jì)多級(jí)中斷系統(tǒng)和任務(wù)調(diào)度方案至關(guān)重要。本文將探討如何使用ARM Cortex-M的NVIC優(yōu)先級(jí)分組機(jī)制確保關(guān)鍵硬實(shí)時(shí)任務(wù)，并討論在DMA傳輸超時(shí)情況下如何重構(gòu)系統(tǒng)時(shí)序，最后給出一個(gè)帶搶占閾權(quán)的任務(wù)調(diào)度方案示例。
一、多級(jí)中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與NVIC優(yōu)先級(jí)分組機(jī)制
ARM Cortex-M系列微控制器中的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）支持可配置的中斷優(yōu)先級(jí)分組機(jī)制，這為我們?cè)O(shè)計(jì)多級(jí)中斷系統(tǒng)提供了靈活性。NVIC的中斷優(yōu)先級(jí)由8位寄存器控制，最高優(yōu)先級(jí)為0，最低為255。通過(guò)配置NVIC的優(yōu)先級(jí)分組，我們可以平衡搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)的數(shù)量，以滿足不同任務(wù)的需求。
例如，在NVIC_PriorityGroup_2配置下，3位用于搶占優(yōu)先級(jí)，支持8種搶占優(yōu)先級(jí)，剩下的2位用于子優(yōu)先級(jí)，支持4種子優(yōu)先級(jí)。這意味著我們可以為關(guān)鍵硬實(shí)時(shí)任務(wù)分配較高的搶占優(yōu)先級(jí)，確保它們能打斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，及時(shí)得到響應(yīng)。
二、DMA傳輸超時(shí)與時(shí)序重構(gòu)
DMA（Direct Memory Access）允許外部設(shè)備直接訪問(wèn)主內(nèi)存，減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)性能。然而，當(dāng)DMA傳輸耗時(shí)超過(guò)任務(wù)周期時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)序紊亂。為解決這一問(wèn)題，我們需要重構(gòu)系統(tǒng)時(shí)序。
首先，應(yīng)配置DMA的超時(shí)機(jī)制。通過(guò)系統(tǒng)定時(shí)器或UART接收中斷設(shè)置超時(shí)時(shí)間，當(dāng)DMA傳輸未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成時(shí)觸發(fā)超時(shí)事件。在DMA中斷服務(wù)例程中，檢測(cè)超時(shí)事件并執(zhí)行相應(yīng)處理邏輯，如清空DMA緩沖區(qū)或重啟DMA傳輸。
其次，調(diào)整任務(wù)調(diào)度策略。為DMA傳輸任務(wù)分配較高的優(yōu)先級(jí)，并確保其能在必要時(shí)打斷其他任務(wù)。同時(shí)，優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，減少上下文切換，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。
三、帶搶占閾權(quán)的任務(wù)調(diào)度方案示例
在任務(wù)調(diào)度中引入搶占閾值策略，可以充分利用搶占調(diào)度和非搶占調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)。以下是一個(gè)基于動(dòng)態(tài)搶占閾值的LSF（Least Slack First）調(diào)度算法示例：
c
// 假設(shè)任務(wù)結(jié)構(gòu)體和任務(wù)列表已定義
typedef struct {
int id;
int priority;
int slack;
int preemption_threshold;
} Task;
Task tasks[NUM_TASKS];
// 任務(wù)初始化函數(shù)
void init_tasks() {
// 初始化任務(wù)列表，設(shè)置優(yōu)先級(jí)和搶占閾值等
// ...
}
// 調(diào)度函數(shù)
void schedule_tasks() {
Task *highest_priority_task = NULL;
for (int i = 0; i < NUM_TASKS; i++) {
if (tasks[i].priority > (tasks[i].is_running ? tasks[i].preemption_threshold : 0) &&
(!highest_priority_task || tasks[i].priority > highest_priority_task->priority)) {
highest_priority_task = &tasks[i];
}
}
if (highest_priority_task) {
// 執(zhí)行最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)
// ...
}
}
在這個(gè)示例中，每個(gè)任務(wù)除了分配優(yōu)先級(jí)外，還分配了一個(gè)搶占閾值。如果其他任務(wù)要搶占當(dāng)前任務(wù)，不僅要求優(yōu)先級(jí)大于當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還必須滿足優(yōu)先級(jí)大于當(dāng)前任務(wù)的搶占閾值。這種策略可以減少不必要的搶占和上下文切換，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和效率。
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