2. 实时调度核心指标

飞控系统的调度效果不能靠“感觉流畅”来判断，必须落到可测量、可比较、可回归的指标上。本节围绕五个核心指标建立度量体系：任务响应时间、截止期错过率、抖动、CPU利用率与最坏执行时间（WCET）。它们分别回答五个问题：一次任务从触发到完成要多久？有多少次没赶上截止期？周期任务的释放与完成是否稳定？处理器还剩多少余量？单个任务最长可能占用多少时间？只有把这五个量放在同一时间基线上观察，才能判断一套飞控调度方案是否真正可用。

一、五个指标的定义与飞控语义

设任务 τ_i 的第 k 次作业在时刻 r_i,k 释放，开始执行于 s_i,k，完成于 f_i,k，截止期为 d_i,k，执行时间为 C_i,k。

• 响应时间 R_i,k = f_i,k − r_i,k，包含等待时间与执行时间。飞控中它对应“从传感器采样触发到控制量输出”的端到端延迟，直接决定姿态环的相位裕度。
• 截止期错过率 M_i = 未满足 f_i,k ≤ d_i,k 的作业数 / 总作业数。它是最直观的“失效比例”，通常按任务分别统计，再按安全等级加权。
• 抖动 J_i = max(R_i,k) − min(R_i,k)，也可用释放间隔抖动或完成时刻标准差表示。飞控中抖动比平均延迟更危险，因为它会让控制周期忽长忽短，等效于采样频率漂移。
• CPU利用率 U = Σ(C_i/T_i)，T_i 为周期。它衡量处理器被周期任务占用的比例，是判断是否还有余量容纳突发任务或降级模式的基础。
• 最坏执行时间 WCET_i = max(C_i,k)。它是所有时序分析的分母式输入，必须通过静态分析、测量或两者结合得到，不能简单用平均值代替。

这五个指标不是并列孤立的：WCET 决定单次占用上限，CPU利用率决定排队长度，排队长度与优先级共同决定响应时间，响应时间的波动形成抖动，而响应时间超过截止期的比例就是错过率。下图给出它们在一条时间轴上的关系。

二、WCET 与 CPU利用率：时序分析的两个输入

WCET 的获取通常有三条路径：静态分析（对机器码逐路径求上界）、动态测量（在目标板上用高精度计时器打点，覆盖最坏分支）、混合方法（静态确定路径，动态测量路径耗时）。飞控中建议对姿态控制、导航滤波、舵机输出等关键任务采用“静态分析 + 最坏工况测量”交叉验证，并留出 20%～30% 的安全裕量。例如某姿态任务在 168 MHz Cortex-M4 上测得典型执行 0.8 ms、最坏分支 1.6 ms，则 WCET 取 1.6 ms 而非 0.8 ms。

CPU利用率由各任务 WCET 与周期共同决定。若姿态任务 T=5 ms、WCET=1.6 ms，则单项 U=32%；再叠加导航 10 ms/1.5 ms、通信 20 ms/2 ms、健康管理 50 ms/1 ms，总利用率约为 32%+15%+10%+2%=59%。剩余 41% 是系统应对突发模式切换、日志写入和中断风暴的缓冲。经验上，硬实时飞控的周期任务利用率宜控制在 70% 以下，超过 85% 时响应时间会因排队迅速恶化。

三、响应时间与抖动：控制品质的直接来源

响应时间由等待时间与执行时间组成。在固定优先级调度下，高优先级任务的响应时间可用响应时间分析（RTA）迭代求解：R = C + Σ⌈R/T_j⌉·C_j（j 为优先级高于 i 的任务）。当迭代收敛且 R ≤ d 时任务可调度。抖动则来自释放抖动、抢占次数变化和执行时间波动。对姿态环而言，若采样周期 5 ms、抖动 4.8 ms，等效采样频率在 100 Hz 到 200 Hz 之间漂移，积分项会积累不一致的误差，严重时引发极限环振荡。因此工程上常要求关键控制任务抖动小于周期的 10%，即 5 ms 周期下抖动不超过 0.5 ms。

四、截止期错过率：安全判据而非性能指标

错过率必须按任务的安全等级分别统计。姿态控制错过一次可能导致姿态发散，属于灾难级；日志任务错过若干次仅影响事后分析。因此度量体系应给出分层阈值，例如：姿态控制错过率 = 0，导航滤波 ≤ 10⁻⁶，遥测 ≤ 1%。统计窗口建议覆盖至少 10⁵ 个作业周期，并记录错过时的系统状态（负载、温度、中断频率），以便定位是偶发还是系统性超载。

五、把五个指标组织成可执行的度量表

下表给出一个可直接用于飞控项目的指标登记示例，参数为教学假设值，实际项目应按目标板测量结果替换。

使用这张表时，先由 WCET 与周期算出 U 列，确认总和不超过 70%；再用 RTA 或实测得到响应时间上界，与截止期比较；最后用在线计数器验证抖动与错过率是否落在阈值内。任何一项越界，都应回到优先级分配、任务拆分或 WCET 优化上调整，而不是仅靠提高主频掩盖问题。

综上，飞控实时调度的度量体系应以 WCET 为输入、以 CPU利用率为容量约束、以响应时间和抖动为过程观测量、以截止期错过率为最终安全判据。五个指标在同一时间基线上联合观察，才能支撑调度参数的迭代优化与适航证据的生成。