[發明專利]一種Windows系統實時擴展的兩級調度方法

有效

• 申請號: 201410001033.8
• 申請日: 2014-01-02
• 公開（公告）號: CN103744726B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 杜承烈;蔣澤軍;陳進朝;王麗芳;楊皓;秦楠;王兆文;黃云婷
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F9/48
• 分類號: G06F9/48
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明屬于計算機應用技術領域，涉及一種Windows系統實時擴展的兩級調度方法。

背景技術

隨著嵌入式實時技術以及虛擬試驗技術的飛速發展，在工業領域中和仿真試驗中Windows操作系統也越來越多的被用作實時應用的系統平臺。為了滿足實時性的要求，增加Windows系統本身的實時能力非常必要?，F有的實時操作系統專利，多是有關實時操作系統理論有關的創新如調度、資源管理等，基本沒有關于Windows平臺對應實時方案?，F有Windows實時方案均為商業方案如：Windows?RTX、INtime。他們都是以接管HAL（硬件抽象層）的方式提供一套與Windows本身系統并行的體系。雖然他們解決了Windows本身實時能力不足的問題，但改造工作成本很高，一些常用驅動需要重新改寫，系統靈活性降低。其商業性質，更是導致用戶的使用成本大大增加，且不易定制。國內有專利《基于Windows驅動程序的實時系統》利用外部接口卡提供高精度定時，通過直接操作CPU寄存器完成實時任務切換。雖然基本滿足了實時要求，但是直接操作寄存器有較高風險，且主要是面向嵌入式實時加工。而本發明則主要利用Windows本身調度的任務切換，提供一種線程可控的兩級調度技術，從而提供實時基礎。在此基礎上可以方便的擴充或自定義實時調度方案，完成實時的用戶程序的編寫。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種Windows系統實時擴展的兩級調度方法，主要解決了現有技術方法中Windows系統中任務的切換代價大和定時精度低問題。

技術方案

一種Windows系統實時擴展的兩級調度方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：利用Windows系統中進程和線程CPU親緣性標志位，對系統資源進行重新分配，把系統中所有進程和線程都指向非實時內核，空出運行實時任務的CPU核心，為實時任務提供足夠的運行資源；

步驟2：同時操作接口封裝、中斷管理以及內存鎖定與映射這三個部分來實現實時任務的運行：

a)借助于微軟公司提供的系統服務描述符表SSDT，利用已知的Windows接口特征碼，搜索系統內存指令，獲取進程和線程的創建、掛起、恢復、終止四個基本操作的函數入口地址，并根據系統函數原型，利用嵌入匯編進行調用，完成特定操作接口的封裝；

b)使用IOAPIC可編程中斷控制器編程把外部中斷分派給各個非實時內核，避免外部中斷對實時內核的干擾，通過設定實時內核內的初始計數寄存器上的計數值，產生10-100微秒的定時信號，為實時調度程序提供調度信號；

c)在內核態下預先申請連續的物理頁面，對其進行鎖定，防止該頁面的換入換出，利用MDL機制，對該物理頁面進行用戶態映射，使用戶態和內核態能夠操作同一塊物理空間，避免運行模式切換時造成的數據拷貝，將線程控制塊TCB和進程控制塊PCB映射為用戶可用地址，在用戶態下進行調度算法的編寫與調試；

步驟3：系統在執行具體任務時，根據不同的任務類型，采用不同的處理內核調度策略，普通任務、Windows系統任務和外部中斷使用非實時內核處理，采用Window系統自身的調度策略；實時任務、指定的特殊中斷將會被實時內核模塊處理，采用實時調度機制，從而實現Windows實時擴展的兩級調度。

所述步驟2中設定初始計數寄存器上的計數值的步驟如下：

步驟a：獲取CPU出廠的額定主頻和原始外頻，通過這兩個值計算出倍頻，三者之間的關系為：主頻等于外頻乘上倍頻；

步驟b：查詢注冊表或利用rdtsc匯編指令計算得出CPU當前真實主頻，根據步驟a計算的倍頻，反算得出真實的外頻，得到系統有效的總線頻率；

步驟c：初始計數寄存器所填充的數值即為：調度周期/總線頻率。

所述步驟3中實時調度機制的步驟如下：

步驟a：按照線程固有優先級將線程TCB插入READY_LIST；

步驟b：根據線程運行結果將狀態改變的線程TCB直接變換鏈表；

步驟c：利用軟中斷陷入內核進行任務切換，在調度時首先需要將DELAY_LIST中開始時間已到的線程插入READY_LIST中；

步驟d：對當前調度情形做判斷，查看最高優先級任務是否改變：若沒有改變則直接結束時鐘中斷處理，任務接著運行；若有改變則進入DPC例程進行相關調度，選出READY_LIST中優先級最高且狀態為READY的線程，恢復其運行。

有益效果