關(guān)于uC/OS-II中優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題

引 言：

1 uC/OS-II的運(yùn)行機(jī)制

　　在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，實(shí)時性是一個重要的指標(biāo)，而優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)是影響系統(tǒng)實(shí)時性的重要問題。本文著重分析優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題的產(chǎn)生和影響，以及在uC/OS-II中的解決方案。

　　uC/OS-II采用基于固定優(yōu)先級的占先式調(diào)度方式，是一個實(shí)時、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個任務(wù)具有一個任務(wù)控制快OS_TCB，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級，任務(wù)的堆棧指針，任務(wù)的相關(guān)事件控制塊指針等。內(nèi)核將系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表(ready list)進(jìn)行標(biāo)注，通過就緒表中的兩個變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]可快速查找系統(tǒng)中就緒的任務(wù)。在uC/OS-II中每個任務(wù)有唯一的優(yōu)先級，因此任務(wù)的優(yōu)先級也是任務(wù)的唯一編號(ID)，可以作為任務(wù)的唯一標(biāo)識。內(nèi)核可用控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]由任務(wù)的優(yōu)先級查到任務(wù)控制塊的地址。uC/OS-II主要就是利用任務(wù)控制快OS_TCB、就緒表(ready list)和控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的。任務(wù)調(diào)度程序OSSched()首先由就緒表(ready list)中找到當(dāng)前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后根據(jù)其優(yōu)先級由控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]取得相應(yīng)任務(wù)控制塊的地址，由OS_TASK_SW()程序進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境的切換。將當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境切換成該任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境，則該任務(wù)由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。當(dāng)這個任務(wù)運(yùn)行完畢或因其它原因掛起時，任務(wù)調(diào)度程序OSSched()再次到就緒表(ready list)中尋找當(dāng)前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行該任務(wù)，如此完成任務(wù)調(diào)度。若在任務(wù)運(yùn)行時發(fā)生中斷，則轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完畢后不是簡單的返回中斷調(diào)用處，而是由OSIntExit()程序進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，執(zhí)行當(dāng)前系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)中所有任務(wù)都執(zhí)行完畢時，任務(wù)調(diào)度程序OSSched()就不斷執(zhí)行優(yōu)先級最低的空閑任務(wù)OSTaskIdle()，等待用戶程序的運(yùn)行。

2 uC/OS-II中的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題

　　在uC/OS-II中，多個任務(wù)按照優(yōu)先級高低由內(nèi)核調(diào)度執(zhí)行，而且任務(wù)調(diào)度所花的時間是常數(shù)，與應(yīng)用程序中建立的任務(wù)數(shù)無關(guān)。對于占先式內(nèi)核，任務(wù)的響應(yīng)時間是確定的，而且是最優(yōu)化的，占先式內(nèi)核保證最高優(yōu)先級的任務(wù)最先執(zhí)行。

　　任務(wù)的響應(yīng)時間=尋找最高優(yōu)先級任務(wù)的時間+任務(wù)切換時間
　　
　　在uC/OS-II中尋找進(jìn)入就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)是通過查就緒表實(shí)現(xiàn)的，這減少了所需時間。
y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
x= OSUnMapTbl [OSRdyTbl[y]];
prio=(y3)+x;

　　任務(wù)切換是通過調(diào)用匯編函數(shù)OS_TASK_SW()來實(shí)現(xiàn)的，主要完成兩個任務(wù)運(yùn)行環(huán)境的保存和恢復(fù)。因此用戶可以通過安排任務(wù)的優(yōu)先級，保證系統(tǒng)的實(shí)時性。當(dāng)涉及到共享資源的互斥訪問時，多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)常常會出現(xiàn)優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題(priority inversion)，不能保證高優(yōu)先級任務(wù)的響應(yīng)時間，影響系統(tǒng)的實(shí)時性，uC/OS-II中也存在同樣問題。所謂優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題(priority inversion)即當(dāng)一個高優(yōu)先級任務(wù)通過信號量機(jī)制訪問共享資源時，該信號量已被一低優(yōu)先級任務(wù)占有，而這個低優(yōu)先級任務(wù)在訪問共享資源時可能又被其它一些中等優(yōu)先級的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級的任務(wù)阻塞，實(shí)時性難以得到保證。例如：有優(yōu)先級為A、B和C的三個任務(wù)，優(yōu)先級A>B>C，任務(wù)A，B處于掛起狀態(tài)，等待某一事件的發(fā)生，任務(wù)C正在運(yùn)行，此時任務(wù)C開始使用某一共享資源S。在使用中，任務(wù)A等待的事件到來，任務(wù)A轉(zhuǎn)為就緒態(tài)，因?yàn)樗热蝿?wù)C優(yōu)先級高，所以立即執(zhí)行。當(dāng)任務(wù)A要使用共享資源S時，由于其正在被任務(wù)C使用，因此任務(wù)A被掛起，任務(wù)C開始運(yùn)行。如果此時任務(wù)B等待的事件到來，則任務(wù)B轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。由于任務(wù)B的優(yōu)先級比任務(wù)C高，因此任務(wù)B開始運(yùn)行，直到其運(yùn)行完畢，任務(wù)C才開始運(yùn)行。直到任務(wù)C釋放共享資源S后，任務(wù)A才得以執(zhí)行。在這種情況下，優(yōu)先級發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，任務(wù)B先于任務(wù)A運(yùn)行。這樣便不能保證高優(yōu)先級任務(wù)的響應(yīng)時間，解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題有優(yōu)先級天花板(priority ceiling)和優(yōu)先級繼承(priority inheritance)兩種辦法。

　　優(yōu)先級天花板是當(dāng)任務(wù)申請某資源時，把該任務(wù)的優(yōu)先級提升到可訪問這個資源的所有任務(wù)中的最高優(yōu)先級，這個優(yōu)先級稱為該資源的優(yōu)先級天花板。這種方法簡單易行，不必進(jìn)行復(fù)雜的判斷，不管任務(wù)是否阻塞了高優(yōu)先級任務(wù)的運(yùn)行，只要任務(wù)訪問共享資源都會提升任務(wù)的優(yōu)先級。在uC/OS-II中，可以通過OSTaskChangePrio()改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，但是改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級是很花時間的。如果不發(fā)生優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)而提升了任務(wù)的優(yōu)先級，釋放資源后又改回原優(yōu)先級，則無形中浪費(fèi)了許多CPU時間，也影響了系統(tǒng)的實(shí)時性。

　　優(yōu)先級繼承是當(dāng)任務(wù)A申請共享資源S時，如果S正在被任務(wù)C使用，通過比較任務(wù)C與自身的優(yōu)先級，如發(fā)現(xiàn)任務(wù)C的優(yōu)先級小于自身的優(yōu)先級，則將任務(wù)C的優(yōu)先級提升到自身的優(yōu)先級，任務(wù)C釋放資源S后，再恢復(fù)任務(wù)C的原優(yōu)先級。這種方法只在占有資源的低優(yōu)先級任務(wù)阻塞了高優(yōu)先級任務(wù)時才動態(tài)的改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，如果過程較復(fù)雜，則需要進(jìn)行判斷。uC/OS-II不支持優(yōu)先級繼承，而且其以任務(wù)的優(yōu)先級作為任務(wù)標(biāo)識，每個優(yōu)先級只能有一個任務(wù)，因此，不適宜在應(yīng)用程序中使用優(yōu)先級繼承。

3 uC/OS-II中優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題的解決

　　在uC/OS-II中，為解決優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)影響任務(wù)實(shí)時性的問題，可以借鑒優(yōu)先級繼承的方法對優(yōu)先級天花板方法進(jìn)行改進(jìn)。對uC/OS-II的使用，共享資源任務(wù)的優(yōu)先級不是全部提升，而是先判斷再決定是否提升。即當(dāng)有任務(wù)A申請共享資源S時，首先判斷是否有別的的任務(wù)正在占用資源S，若無，則任務(wù)A繼續(xù)執(zhí)行，若有，假設(shè)為任務(wù)B正在使用該資源，則判斷任務(wù)B的優(yōu)先級是否低于任務(wù)A，若高于任務(wù)A，則任務(wù)A掛起，等待任務(wù)B釋放該資源，如果任務(wù)B的優(yōu)先級低于任務(wù)A，則提升任務(wù)B的優(yōu)先級到該資源的優(yōu)先級天花板，當(dāng)任務(wù)B釋放資源后，再恢復(fù)到原優(yōu)先級。在uC/OS-II中，每個共享資源都可看作一個事件，每個事件都有相應(yīng)的事件控制塊ECB。在ECB中包含一個等待本事件的等待任務(wù)列表，該列表包括OSEventTbl[]和OSEventGrp兩個域，通過對等待任務(wù)列表的判斷可以很容易的確定是否有多個任務(wù)在等待該資源，同時也可判斷任務(wù)的優(yōu)先級與當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級的高低，從而決定是否需要用OSTaskChangePio()來改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級。這樣，僅在優(yōu)先級有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況下才改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，而且利用事件的等待任務(wù)列表進(jìn)行判斷，比用OSTaskChangePio()來改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級速度快，并占用較少的CPU時間，有利于系統(tǒng)實(shí)時性的提高。

　　總之，優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題是多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)普遍存在的問題，這個問題也存在于uC/OS-II中。通過在應(yīng)用程序中進(jìn)行簡單的判斷，在可能出現(xiàn)優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的情況下動態(tài)的改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級，可以有效地避免任務(wù)的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)，保證高優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。

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關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權(quán)的說明

Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的產(chǎn)品，并對其軟件擁有知識產(chǎn)權(quán)。Micrium花費(fèi)了大量的時間和財力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費(fèi)軟件，也不是開放源碼的軟件，因此，不能免費(fèi)使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開放源碼的免費(fèi)軟件，這是和Linux完全不一樣的。

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