嵌入式實時操作系統(tǒng)PetOS設計與實現(xiàn)

        PetOS是一個自行設計的嵌入式實時操作系統(tǒng)。本文介紹了PetOS的技術(shù)背景，并詳細闡述PetOS系統(tǒng)中的任務調(diào)度機制、任務管理機制以及中斷管理機制的實現(xiàn)原理,指出PetOS在應用中的優(yōu)缺點。 
       

       1 引言

       在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實時操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應用。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU 的資源,簡化應用軟件的設計,縮短系統(tǒng)開發(fā)時間,更好地保證系統(tǒng)的實時性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM 資源),只有μC/OS II、PalOS等少數(shù)實時操作系統(tǒng)能在小RAM 系統(tǒng)上運行。相對于μC/OS II[2]等商業(yè)操作系統(tǒng),PalOS[1]操作系統(tǒng)是完全免費的操作系統(tǒng),具有源碼公開、內(nèi)核簡單等的特點。但該系統(tǒng)不支持任務優(yōu)先級、中斷等相對復雜的功能，不能很好的滿足嵌入式電子設備的需要。

       2 PetOS簡介

       PalOS是UCLA（加州大學洛山機分校）為傳感器網(wǎng)絡而設計微型操系統(tǒng)。系統(tǒng)輪詢每個任務的消息隊列，如果存在消息則調(diào)用任務相應的消息處理函數(shù)。但是這種簡單的輪詢機制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法滿足更為復雜的應用需求。在任務管理、系統(tǒng)時鐘管理和中斷管理等功能上,PalOS的功能都有待加強。

       PetOS以PalOS為原型，改進了任務調(diào)度算法，引入優(yōu)先級的概念。每個任務可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級, CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務先運行，從而實現(xiàn)任務的優(yōu)先級管理。PetOS還提供了嚴格優(yōu)先級調(diào)度模式和非嚴格優(yōu)先級調(diào)度模式，用于緩解高優(yōu)先級任務持續(xù)被調(diào)度時，低優(yōu)先級任務出現(xiàn)‘餓死’的現(xiàn)象。

                                                     圖1 PetOS內(nèi)核框架
 
       簡單輪詢或者優(yōu)先級調(diào)度都無法保證系統(tǒng)的實時性。這兩種調(diào)度都基于事件驅(qū)動，任務必須完成事件響應才會執(zhí)行下一輪調(diào)度，因此系統(tǒng)的實時性會受到事件響應函數(shù)的粒度的影響，為了增加系統(tǒng)的實時性，PetOS加入了中斷管理及系統(tǒng)時鐘管理，用于提高系統(tǒng)的實時性。中斷可以由硬件產(chǎn)生，也可以由應用程序產(chǎn)生。中斷產(chǎn)生后，系統(tǒng)會及時進入中斷模式進行處理，從而保證實時性要求很高的事務能得到及時的處理。

       PetOS內(nèi)核框架如圖1。

       3 PetOS的實現(xiàn)
       3.1 PETOS任務維護/調(diào)度模塊
任務維護/調(diào)度模塊是PetOS的核心模塊 負責任務的管理和調(diào)度。

       ·TASK（任務）:

       TASK是PetOS應用程序的邏輯實體，擁有獨立的輸入響應、消息響應和輸出控制，是PetOS的調(diào)度實體。

       PetOS任務具有如下5個狀態(tài)：

       ·UNREGISTER   ：由于Task列表采用靜態(tài)數(shù)組，此狀態(tài)表示該數(shù)組項無效

       ·UNINIT：任務已經(jīng)注冊，但是尚未初始化，不可執(zhí)行

       ·STOP：任務停止狀態(tài)。不接受消息，不可執(zhí)行。無數(shù)據(jù)

                                                       圖2 PetOS 任務狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
 
      ·RUN：任務運行狀態(tài)。能接受消息，可以執(zhí)行

      ·PAUSE：任務掛起狀態(tài)：不能接受消息，不可執(zhí)行。但保持數(shù)據(jù)。

      任務在PetOS啟動時被注冊，并常駐在操作系統(tǒng)中。即操作系統(tǒng)初始化完畢并啟動之后，操作系統(tǒng)調(diào)度的任務列表是固定的。操作系統(tǒng)啟動后，任務只會在運行、暫停、掛起狀態(tài)之前切換。

      任務狀態(tài)圖如圖2：

      為了方便任務的管理與控制，每個TASK都會綁定TCB（task control block）。TCB類似于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中進程的PCB，它記錄了task的各種狀態(tài)變量、控制變量以及標準接口的函數(shù)指針，便于PetOS和應用程序維護。

      Event(事件消息):

      Event是PetOS進程調(diào)度的粒度單位。

      由于PetOS的每個任務不具備獨立的代碼/數(shù)據(jù)段/堆棧指針，我們無法在任意的位置暫停一個task而啟動另一個。PetOS的解決策略是：將task拆分成為一個個獨立的由事件驅(qū)動的邏輯模塊，每個task都有各自獨立的事件隊列。Task的每個邏輯功能都會被映射成一個事件，操作系統(tǒng)通過賦予某個task響應事件的權(quán)利來完成一次調(diào)度。而操作系統(tǒng)的多任務調(diào)度可以Task輪流響應事件來實現(xiàn)。

      任務的調(diào)度:

                                                              圖3調(diào)度算法流程圖
 
      在嵌入式系統(tǒng)中，很多應用要求執(zhí)行的優(yōu)先級絕對優(yōu)先，比如USB文件傳輸?shù)奶幚?。為此，PetOS采用了多級任務機制，并賦予高優(yōu)先級的任務更高的執(zhí)行權(quán)限。調(diào)度時，PetOs將優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先級高的任務。這種調(diào)度方式保證了高優(yōu)先級任務的實時響應，但可能導致低優(yōu)先級的任務永遠無法被執(zhí)行。為了緩解這種‘餓死’現(xiàn)象，PetOS提供了兩種可選的配置：

      ·嚴格優(yōu)先級調(diào)度模式：即，若高優(yōu)先級的任務隊列中存在還有事件未響應的任務，則無條件執(zhí)行高優(yōu)先級的任務。

      ·非嚴格優(yōu)先級調(diào)度模式：即，當高優(yōu)先級隊列調(diào)度一輪過后，次優(yōu)先級的任務隊列中的第一個待執(zhí)行任務可以得到1次調(diào)度。調(diào)度完成后繼續(xù)輪詢高優(yōu)先級隊列。

      可以看到兩者的區(qū)別在于：嚴格調(diào)度模式可以保證高優(yōu)先級任務的絕對優(yōu)先，但是低級任務可能出現(xiàn)‘餓死’的情況。而對于非嚴格調(diào)度模式，不論任務優(yōu)先級有多低，總能以較低的頻率執(zhí)行。

      調(diào)度算法的分析及優(yōu)化:

      在非嚴格模式下，設一級、二級、三級task隊列的長度分別為N1，N2，N3。則二級隊列中調(diào)度一個任務需要判斷一級任務N1次；三級隊列中調(diào)度一個任務需要在一級隊列中判斷N1×N2次，在二級隊列中判斷N2次。在一級二級任務都很少被執(zhí)行，而三級隊列中的任務消息粒度很小且執(zhí)行頻率很高時，任務調(diào)度所占用的系統(tǒng)消耗便會急劇上升。

       一種解決方法是：PetOS給每個消息隊列加入了32Bit消息標記位。其中的每一位對應一個該優(yōu)先級中的任務。若消息標記變量的某一位為1，則代表該位對應的task存在尚未響應的事件；若為0，則表示該級隊列所有任務的事件都已經(jīng)處理完畢，可以調(diào)度次優(yōu)先級的任務。

       通過消息標記位策略，若一級二級任務都不存在需要被調(diào)度的任務，則三級任務被調(diào)度一次的代價只是查詢一級、二級任務的消息標記位各一次，從而大大降低了系統(tǒng)的消耗。

       3.2中斷管理/定時函數(shù)管理
       中斷管理:

       由于PetOS的實時性受到事件粒度大小的影響，系統(tǒng)需要提供一種更強有力的實時性保障：中斷。PetOS中斷處理模塊主要完成中斷源的判斷、中斷向量的維護以及中斷響應函數(shù)的調(diào)度等工作。

       PetOS支持64個中斷源[3]，并對每個中斷源支持不限數(shù)目的中斷處理函數(shù)，因此該列表是一個雙向鏈表，里面包涵了該中斷號下的中斷處理函數(shù)，定位后依次執(zhí)行該鏈表中的函數(shù)。

       采用鏈表方式維護中斷處理函數(shù)可以更加靈活的維護中斷函數(shù)列表，但是實際上，很多中斷函數(shù)都是一次性的，比如USB連接響應函數(shù)在被調(diào)用后，需要將自己從該中斷的函數(shù)列表內(nèi)刪除。而此時，中斷處理函數(shù)正在使用該列表，這樣就引起了中斷函數(shù)鏈表的不一致性。

       解決的方式是：

       1）給所有函數(shù)句柄加入狀態(tài)。

       2）維護中斷函數(shù)列表時，如果句柄處于閑置狀態(tài)，則進行默認的操作；如果句柄處于IRQ狀態(tài)被刪除，則暫時不進行直接的刪除操作，而是將句柄狀態(tài)改成PETOS_IRQ_HANDLER_CALL_STATUS_DELETE。

       3）當中斷處理主函數(shù)調(diào)用完該函數(shù)后，若發(fā)現(xiàn)該函數(shù)的句柄狀態(tài)已經(jīng)改變，則可得知該函數(shù)已經(jīng)在調(diào)用過程中將自己注銷。IrqHandler會在此時重寫中斷維護模塊API中注銷函數(shù)，在這里將該函數(shù)句柄刪除。

       4）重新鏈接中斷函數(shù)列表和定位tmpIrqHandler找到下一個中斷處理函數(shù)句柄。

       中斷擴展模塊－系統(tǒng)時鐘模塊和定時觸發(fā)函數(shù):

       中斷機制保證了PetOS對硬件請求的實時性響應，而對于軟件請求的實時性則由PetOS系統(tǒng)時鐘/定時觸發(fā)函數(shù)模塊完成。該模塊主要完成了兩部分工作：

       ·系統(tǒng)時鐘模塊：系統(tǒng)每隔固定的時間產(chǎn)生一個時間中斷。利用前面的中斷機制，我們可以模擬一個準實時的，不斷執(zhí)行的任務。具體方法為將這段代碼注冊為系統(tǒng)時鐘的中斷處理函數(shù)。

       ·定時觸發(fā)函數(shù)模塊：為了滿足嵌入式電子產(chǎn)品應用程序的需要，基于系統(tǒng)時鐘模塊，PetOS供了定時觸發(fā)函數(shù)功能。用戶可以向系統(tǒng)注冊一個定時觸發(fā)函數(shù)，并指定其被調(diào)用的時間。操作系統(tǒng)通過預先注冊好的一個系統(tǒng)時鐘中斷處理函數(shù)來檢查是否有需要的定時觸發(fā)函數(shù)到期，并執(zhí)行調(diào)度。

       PetOS的任務調(diào)度是以事件為單位，不可能出現(xiàn)兩個任務同時訪問同一段代碼的情況。因此，大部分代碼不需要考慮重入的問題。

       4 PetOS的不足及改進方向

       目前的調(diào)度算法還是存在任務優(yōu)先級跨度太大的問題，高優(yōu)先級的任務可能直接導至低優(yōu)先級任務的“餓死”。

       PetOS不可搶占的任務調(diào)度機制，各任務無獨立棧導致調(diào)度不夠靈活，如果一個任務的消息處理時間很長，則其他任務的消息響應時間也會很長，使得整個系統(tǒng)的實時性顯得較差并且無法移植阻塞式的應到到該系統(tǒng)中。

       PetOS并沒有啟用多態(tài)運行模式，而是簡單的將OS core和其他應用程序的地址空間復用。這樣雖然簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是帶來了OS core的地址空間可能被其他應用程序直接訪問的隱患。

       因此調(diào)度算法及內(nèi)存管理將是PetOS改進的方向。

       5 結(jié)束語

       增加了優(yōu)先級調(diào)度、任務管理、中斷管理、系統(tǒng)時鐘管理后，PetOS由一個只適用于簡單應用的微型操作系統(tǒng)蛻變?yōu)榭蓱糜趶碗s環(huán)境的小型操作系統(tǒng)。由于PetOS的模塊化結(jié)構(gòu)和開放性的代碼，使得各方案的擴展性和可維護性大大加強，大大縮短了方案開發(fā)、產(chǎn)品維護的周期和成本。目前，基于ARM922硬件平臺，PetOS已經(jīng)實現(xiàn)了MP4/學習機等嵌入式消費類電子產(chǎn)品的方案，并已有成熟的產(chǎn)品上市，證明了PetOS的市場潛力。隨著新的應用需求，PetOS會得到進一步完善，在嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

       參考文獻：

       [1] UCLA Networked and Embedded Systems Lab. PALOS. http://sourceforge.net/projects/palos/ 2002

       [2] JeanJ .Labrosse. uC /OS-11-源碼公開的實時嵌人式操作系統(tǒng)[M]，中國電力出版社，2001

       [3] 杜春雷．ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M] 清華大學出版社， 2003

       [4] 沈勝慶．嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核研究[J]．微計算機信息，2006，2-2：72-74