uC/OS-II中優(yōu)先級翻轉問題

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　　1 uC/OS-II的運行機制

　　在嵌入式系統(tǒng)的應用中，實時性是一個重要的指標，而優(yōu)先級翻轉是影響系統(tǒng)實時性的重要問題。本文著重分析優(yōu)先級翻轉問題的產(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)先級的占先式調度方式，是一個實時、多任務的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個任務具有一個任務控制快OS_TCB，任務控制塊記錄任務執(zhí)行的環(huán)境，包括任務的優(yōu)先級，任務的堆棧指針，任務的相關事件控制塊指針等。內核將系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的任務在就緒表(ready list)進行標注，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。在uC/OS-II中每個任務有唯一的優(yōu)先級，因此任務的優(yōu)先級也是任務的唯一編號(ID)，可以作為任務的唯一標識。內核可用控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]由任務的優(yōu)先級查到任務控制塊的地址。uC/OS-II主要就是利用任務控制快OS_TCB、就緒表(ready list)和控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]來進行任務調度的。任務調度程序OSSched()首先由就緒表(ready list)中找到當前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務，然后根據(jù)其優(yōu)先級由控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]取得相應任務控制塊的地址，由OS_TASK_SW()程序進行運行環(huán)境的切換。將當前運行環(huán)境切換成該任務的運行環(huán)境，則該任務由就緒態(tài)轉為運行態(tài)。當這個任務運行完畢或因其它原因掛起時，任務調度程序OSSched()再次到就緒表(ready list)中尋找當前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務，轉而執(zhí)行該任務，如此完成任務調度。若在任務運行時發(fā)生中斷，則轉向執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完畢后不是簡單的返回中斷調用處，而是由OSIntExit()程序進行任務調度，執(zhí)行當前系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務。當系統(tǒng)中所有任務都執(zhí)行完畢時，任務調度程序OSSched()就不斷執(zhí)行優(yōu)先級最低的空閑任務OSTaskIdle()，等待用戶程序的運行。

　　2 uC/OS-II中的優(yōu)先級翻轉問題

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

　　任務的響應時間=尋找最高優(yōu)先級任務的時間+任務切換時間

　　在uC/OS-II中尋找進入就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務是通過查就緒表實現(xiàn)的，這減少了所需時間。

　　y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

　　x= OSUnMapTbl [OSRdyTbl[y]];

　　prio=(y<<3)+x;

　　任務切換是通過調用匯編函數(shù)OS_TASK_SW()來實現(xiàn)的，主要完成兩個任務運行環(huán)境的保存和恢復。因此用戶可以通過安排任務的優(yōu)先級，保證系統(tǒng)的實時性。當涉及到共享資源的互斥訪問時，多任務實時操作系統(tǒng)常常會出現(xiàn)優(yōu)先級翻轉問題(priority inversion)，不能保證高優(yōu)先級任務的響應時間，影響系統(tǒng)的實時性，uC/OS-II中也存在同樣問題。所謂優(yōu)先級翻轉問題(priority inversion)即當一個高優(yōu)先級任務通過信號量機制訪問共享資源時，該信號量已被一低優(yōu)先級任務占有，而這個低優(yōu)先級任務在訪問共享資源時可能又被其它一些中等優(yōu)先級的任務搶先，因此造成高優(yōu)先級任務被許多具有較低優(yōu)先級的任務阻塞，實時性難以得到保證。例如：有優(yōu)先級為A、B和C的三個任務，優(yōu)先級A>B>C，任務A，B處于掛起狀態(tài)，等待某一事件的發(fā)生，任務C正在運行，此時任務C開始使用某一共享資源S。在使用中，任務A等待的事件到來，任務A轉為就緒態(tài)，因為它比任務C優(yōu)先級高，所以立即執(zhí)行。當任務A要使用共享資源S時，由于其正在被任務C使用，因此任務A被掛起，任務C開始運行。如果此時任務B等待的事件到來，則任務B轉為就緒態(tài)。由于任務B的優(yōu)先級比任務C高，因此任務B開始運行，直到其運行完畢，任務C才開始運行。直到任務C釋放共享資源S后，任務A才得以執(zhí)行。在這種情況下，優(yōu)先級發(fā)生了翻轉，任務B先于任務A運行。這樣便不能保證高優(yōu)先級任務的響應時間，解決優(yōu)先級翻轉問題有優(yōu)先級天花板(priority ceiling)和優(yōu)先級繼承(priority inheritance)兩種辦法。

　　優(yōu)先級天花板是當任務申請某資源時，把該任務的優(yōu)先級提升到可訪問這個資源的所有任務中的最高優(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，不必進行復雜的判斷，不管任務是否阻塞了高優(yōu)先級任務的運行，只要任務訪問共享資源都會提升任務的優(yōu)先級。在uC/OS-II中，可以通過OSTaskChangePrio()改變任務的優(yōu)先級，但是改變任務的優(yōu)先級是很花時間的。如果不發(fā)生優(yōu)先級翻轉而提升了任務的優(yōu)先級，釋放資源后又改回原優(yōu)先級，則無形中浪費了許多CPU時間，也影響了系統(tǒng)的實時性。

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