基于时间触发模式的电子控制系统设计

　　引 言

　　电子控制系统一般都是实时系统，常需处理许多并发事件的输入数据流。这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求系统必须在事先设定好的时限内做出相应的响应。对于如何控制系统的复杂行为，普遍采用的是事件触发方案，即系统的所有行为响应系统外部事件而执行。然而，中断丢失与事件触发系统的开销是人们经常忽略的一个问题，文献[2]讨论了一个这样的例子：一个包含27个任务、采用RM调度算法的事件触发系统，CPU的实际利用率仅为18%。同时，电子控制系统也可以看作是一个能实时采集一组定义好的输入值，同时在预先确定的时间间隔给出一个正确输出的实时系统。为了满足安全、低成本及程序尽可能简单等苛刻要求，电子控制系统的开发最终走向时间触发结构[1]。时间触发意味着所有的与输入采样、计算及输出结果等相关的动作在预先给定的时间前执行，因而能保证准确的调度时间。

　　1 时间触发系统的任务调度器

　　调度器是一种用于电子控制系统的运行环境，也可看作是一个简单的操作系统。在电子控制系统中使用调度器可以缩短开发时间，提高软件的模块化程度。调度器具有合作式与抢占式两种形式。如果一个被"唤醒"的高优先级任务可以打断其他正在运行的低优先级任务，则调度器是抢占式的;反之，则是合作式的。由于其应用背景的特殊性，电子控制系统运行的任务绝大多数是周期性任务(如周期性的数据采集任务、LED显示刷新任务等)，并且任务的就绪时间、开始时间、执行时间和截止期限等信息均可预先知道。因此，可以采用基于时间触发形式的合作式调度器，即任务在特定时刻以周期性或单次方式被调度。

　　2 时间触发合作式调度器的机制

　　时间触发合作式调度器通常通过一个硬件定时器来实现，所有的任务都是由时间触发的，这也意味着除了定时器中断以外，再也没有其他形式的中断。硬件定时器将被设置为产生一个周期中断信号，这个中断信号的频率约为1kHz。

　　时间触发合作式调度器的主要功能就是唤醒在预先确定好时间执行的任务。在工作时间，调度器检查静态的任务链表，根据任务的周期判断是否有任务需执行，如果有则立即执行任务;任务执行完后继续检查任务链表，重复上一个过程。完成链表检查后，由于节能的关系，CPU进入休眠状态，直到下一个时钟节拍的到来。其任务调度机制如图1所示。由于合作式调度器能保证在同一时刻，系统中只有一个任务被触发，而且在任何时刻系统中都可以保证有任务在执行。这样，系统的使用效率得到了提高。在分布式系统中，各个节点间存在着时间的漂移(由于每个节点所处的环境以及时钟晶振的制作工艺等存在差异)，所以必须动态地对节点时钟进行调整，使整个系统的各个节点时钟能够同步。