3. 飞控任务建模方法

飞控软件里，姿态控制、导航滤波、健康监控这些功能并不是以“函数”的形式孤立存在的，它们最终都要落到实时操作系统的任务上，由调度器按某种规则分配 CPU 时间。所谓飞控任务建模，就是把这些功能需求翻译成调度器能理解的对象：周期任务、偶发任务、优先级、执行时间、截止期、阻塞时间等，从而形成一个可以拿去做可调度性分析的模型。建模做得好不好，直接决定了后续时序优化有没有意义——如果模型本身失真，再精细的调度算法也只是在错误的输入上做优化。

一、先分清三类任务语义

飞控中的计算负载大致可以归入三种语义，建模时第一步就是判断某个功能属于哪一类。

• 周期任务：按固定周期反复触发，例如姿态控制律以 200 Hz（周期 5 ms）运行、导航滤波以 50 Hz（周期 20 ms）运行、健康监控以 10 Hz（周期 100 ms）运行。它们的到达时刻可预测，是实时分析的主体。
• 偶发任务：由事件触发，最小到达间隔有下界但具体时刻不确定，例如遥控指令解析、故障中断处理、地面站上行帧处理。建模时用“最小到达间隔”代替周期。
• 非周期/后台任务：没有硬截止期，例如日志落盘、参数存储、遥测打包。它们通常放在最低优先级，用空闲时间执行。

需要强调的是，同一个功能在不同飞行阶段可能改变语义。例如导航滤波在正常巡航时是严格周期任务，在 GPS 失锁后可能被降频或改为事件驱动，建模时要按最坏情况（最小周期、最大执行时间）取值，否则分析结果会偏乐观。

二、把功能映射为任务参数

建模的核心动作是给每个任务填一张参数表。以某型中小型无人机飞控为例，假设主控为单核 200 MHz、无 FPU 的处理器，给出如下示例参数（数值为教学假设，非实测）：

表中几个量必须说清楚来源：周期由控制带宽和采样定理决定，姿态环 200 Hz 是因为内环带宽约 20~30 Hz，采样率取 6~10 倍；最坏执行时间 C 不能拍脑袋，要用最坏情况执行时间（WCET）分析工具或高精度计时器在目标板上实测取包络，且要覆盖分支最坏路径；截止期 D 通常等于周期（隐式截止期），但姿态控制这类任务若允许一定抖动，也可设 D 略小于周期以留出余量。

三、优先级分配与可调度性判据

飞控普遍采用固定优先级抢占式调度（如 Rate Monotonic，RM）。RM 的规则是周期越短优先级越高，上表中姿态控制（5 ms）优先级最高，遥测打包最低，正好符合 RM 排序。分配完优先级后，用利用率判据做初步筛查：

U = Σ(Ci / Ti)
  = 1.2/5 + 0.6/5 + 3.5/20 + 0.8/10 + 2.0/100 + 1.5/100
  = 0.24 + 0.12 + 0.175 + 0.08 + 0.02 + 0.015
  = 0.65

RM 充分条件（n 个任务）：
U ≤ n·(2^(1/n) − 1)
n=6 时阈值 ≈ 0.735
0.65 < 0.735 → 满足充分条件，可调度

这里 0.65 的利用率说明 CPU 还有约 35% 余量，但满足充分条件不等于一定可调度，它只是充分非必要条件。更精确的判断要用响应时间分析（RTA）：对每个任务计算最坏响应时间 R，若 R ≤ D 则任务可调度。R 的迭代式为 R = C + Σ(高优先级任务的干扰) + 阻塞时间。姿态控制任务没有更高优先级任务，R = C = 1.2 ms ≤ 5 ms，安全；导航滤波要叠加姿态控制和传感器采集的干扰，需要逐项累加验证。

四、建模结果的表达与校验

一个完整的可调度分析模型，最终应能回答三个问题：每个任务的最坏响应时间是多少、系统总利用率是多少、在什么条件下会失效。下图给出了从功能到可调度模型的映射关系与关键参数流。

建模完成后要做一次一致性校验：把模型参数回填到仿真或半实物测试中，观察实际响应时间是否落在 RTA 预测范围内。若实测响应时间明显大于预测值，通常意味着漏算了阻塞时间、中断延迟或缓存抖动。此时应回到参数表修正 C 或 B，而不是直接调优先级——优先级调整只能改变干扰分布，不能消除被低估的执行时间。

总结来说，飞控任务建模的产出不是一张任务列表，而是一组带参数的、可被数学工具检验的调度对象。姿态控制、导航滤波、健康监控被映射为不同周期、不同优先级、不同截止期的任务后，才能用利用率判据和响应时间分析回答“这套飞控在当前处理器上到底能不能按时跑完”。这个模型也是后续时序优化、优先级再分配和 CPU 负载均衡的起点。