实时性保障设计：多级中断系统与任务调度优化

在现代嵌入式系统中，实时性保障是确保系统稳定运行和高效处理任务的关键。特别是在涉及硬实时任务（如DMA传输）时，合理设计多级中断系统和任务调度方案至关重要。本文将探讨如何使用ARM Cortex-M的NVIC优先级分组机制确保关键硬实时任务，并讨论在DMA传输超时情况下如何重构系统时序，最后给出一个带抢占阈权的任务调度方案示例。

一、多级中断系统设计与NVIC优先级分组机制

ARM Cortex-M系列微控制器中的NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）支持可配置的中断优先级分组机制，这为我们设计多级中断系统提供了灵活性。NVIC的中断优先级由8位寄存器控制，最高优先级为0，最低为255。通过配置NVIC的优先级分组，我们可以平衡抢占优先级和子优先级的数量，以满足不同任务的需求。

例如，在NVIC_PriorityGroup_2配置下，3位用于抢占优先级，支持8种抢占优先级，剩下的2位用于子优先级，支持4种子优先级。这意味着我们可以为关键硬实时任务分配较高的抢占优先级，确保它们能打断低优先级任务，及时得到响应。

二、DMA传输超时与时序重构

DMA（Direct Memory Access）允许外部设备直接访问主内存，减轻CPU负担，提高系统性能。然而，当DMA传输耗时超过任务周期时，可能导致系统时序紊乱。为解决这一问题，我们需要重构系统时序。

首先，应配置DMA的超时机制。通过系统定时器或UART接收中断设置超时时间，当DMA传输未能在规定时间内完成时触发超时事件。在DMA中断服务例程中，检测超时事件并执行相应处理逻辑，如清空DMA缓冲区或重启DMA传输。

其次，调整任务调度策略。为DMA传输任务分配较高的优先级，并确保其能在必要时打断其他任务。同时，优化任务执行时间，减少上下文切换，提高系统响应速度。

三、带抢占阈权的任务调度方案示例

在任务调度中引入抢占阈值策略，可以充分利用抢占调度和非抢占调度的优点。以下是一个基于动态抢占阈值的LSF（Least Slack First）调度算法示例：

c

// 假设任务结构体和任务列表已定义

typedef struct {

   int id;

   int priority;

   int slack;

   int preemption_threshold;

} Task;

Task tasks[NUM_TASKS];

// 任务初始化函数

void init_tasks() {

   // 初始化任务列表，设置优先级和抢占阈值等

   // ...

}

// 调度函数

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) {

       // 执行最高优先级任务

       // ...

   }

}

在这个示例中，每个任务除了分配优先级外，还分配了一个抢占阈值。如果其他任务要抢占当前任务，不仅要求优先级大于当前任务优先级，还必须满足优先级大于当前任务的抢占阈值。这种策略可以减少不必要的抢占和上下文切换，提高系统稳定性和效率。