3. 实时任务模型与调度问题定义

在星载FPGA上讨论“实时调度”，第一步不是选算法，而是把任务描述清楚。星载软件里的任务并不都是同一种形态：有的按固定周期反复触发，有的由地面指令或遥测中断随机唤醒，有的只在故障发生时才出现。如果任务模型定义不统一，后续的截止时间判断、优先级分配和可行性分析都会失去基准。本节先把任务类型、时间参数和依赖关系定义清楚，再给出调度可行性的严格含义。

一、四类基本任务模型

星载实时任务通常按触发方式分为四类，它们的到达规律和可预测性差别很大。

• 周期任务：以固定周期 T 重复释放，例如姿控周期解算每 10 ms 执行一次、载荷数据打包每 100 ms 执行一次。周期任务可预测性最强，是调度分析的主体。
• 非周期任务：到达时间不确定，但通常有软截止时间，例如地面注入的软件参数更新、非关键的日志回传。错过截止时间一般只降低服务质量，不造成系统失效。
• 偶发任务：到达时间不确定，但相邻两次到达之间有最小间隔，且通常带硬截止时间，例如单粒子翻转后的EDAC纠错、看门狗喂狗、故障保护动作。它比非周期任务更“危险”，必须保证最坏情况下仍可调度。
• 任务图：一个作业由多个存在依赖关系的子任务组成，用有向无环图 DAG 表示，例如“采集→滤波→压缩→下传”这条处理链。任务图的调度要同时考虑节点执行和边上的数据依赖。

需要强调：偶发任务与非周期任务的区别不在“是否随机”，而在“是否有最小到达间隔约束”。有最小间隔，才能做最坏情况分析；没有，就只能按软实时处理。

二、时间参数与依赖关系

对每个任务 τᵢ，用一组参数完整刻画它的时间行为：

• 释放时间 rᵢ：任务就绪、可以开始执行的时刻。周期任务第 k 次释放为 rᵢ + kTᵢ。
• 执行时间 Cᵢ：任务在处理器上实际占用时间。星载FPGA上要区分最坏执行时间 WCET 与平均执行时间，调度可行性必须用 WCET。
• 截止时间 dᵢ：任务必须完成的时刻。相对截止时间 Dᵢ = dᵢ − rᵢ；若 Dᵢ = Tᵢ 称为隐式截止时间，Dᵢ < Tᵢ 称为约束截止时间。
• 响应时间 Rᵢ：从释放到完成的实际时间，Rᵢ ≤ Dᵢ 才满足时限。
• 依赖关系：若 τⱼ 必须在 τᵢ 完成后才能开始，记 τᵢ → τⱼ，此时 τⱼ 的释放时间被前驱完成时间“推后”，即 rⱼ ≥ fᵢ。

依赖关系会显著改变可调度性。例如任务图中若前驱节点执行时间抖动大，后继节点的释放时间就不确定，必须按最坏路径长度估算。星载FPGA中常见的“采集→处理→下传”链，其端到端截止时间往往比单个节点截止时间更关键。

三、调度可行性定义

给定任务集 Γ = {τ₁, τ₂, …, τₙ} 和单处理器（或可并行资源集合），若存在一种调度策略，使所有任务在任意释放序列下都满足 Rᵢ ≤ Dᵢ，则称该任务集是可调度的。对周期任务，通常用利用率判据做充分条件：

U = Σ (Cᵢ / Tᵢ) ≤ n(2^(1/n) − 1)   // RM 调度充分条件
U = Σ (Cᵢ / Tᵢ) ≤ 1                // EDF 调度充要条件（隐式截止时间）

例如三个周期任务：τ₁(C=1 ms, T=5 ms)、τ₂(C=2 ms, T=10 ms)、τ₃(C=3 ms, T=20 ms)，则 U = 0.2 + 0.2 + 0.15 = 0.55。对 n=3，RM 判据上限约 0.779，0.55 < 0.779，因此按速率单调调度可保证可调度。若再加入一个偶发任务，其最坏情况执行时间 2 ms、最小间隔 25 ms，则 U 增至 0.63，仍低于上限，但需进一步检查偶发任务与周期任务的最坏响应时间叠加。

四、任务模型与调度问题的关系

把上述要素放在一起，就得到星载实时调度问题的完整定义：输入是任务集及其类型、时间参数、依赖关系和资源约束；输出是一个满足所有截止时间的执行顺序或优先级分配；约束包括处理器占用、总线带宽、存储器容量和功耗；目标通常是在保证硬实时任务可调度的前提下，最大化软实时任务完成率或最小化平均响应时间。

下图把四类任务、关键时间参数和可行性判断串成一张关系图，便于对照理解。

回到工程实践：在星载FPGA上做调度设计时，建议先把所有任务按上述四类归档，逐个填写 rᵢ、Cᵢ、Dᵢ、Tᵢ 和依赖边，形成任务参数表；再用利用率做初筛，对未通过或临界任务做 RTA 精算；最后把偶发任务的最坏情况叠加进去复核。只有任务模型定义完整、参数取值有依据，调度可行性结论才可信，后续的优先级分配和资源预留才有意义。