μC／OS—II中的時(shí)鐘節(jié)拍管理機(jī)制技術(shù)分析

為了有效管理時(shí)鐘節(jié)拍并確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，μC／OS—III不僅增加了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)任務(wù)來(lái)管理時(shí)鐘節(jié)拍，而且采用哈希散列表機(jī)制來(lái)進(jìn)一步減少時(shí)鐘節(jié)拍處理過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間。本文討論μC／OS—II在時(shí)鐘節(jié)拍管理方面的不足，并介紹μC／OS—III中的高效時(shí)鐘節(jié)拍管理機(jī)制。

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)中，任務(wù)可通過(guò)調(diào)用延時(shí)函數(shù)(比如μC／OS中的OSTimeDly()函數(shù))將自己延時(shí)掛起一段時(shí)間。任務(wù)在延時(shí)的過(guò)程中會(huì)釋放CPU使用權(quán)，也就是說(shuō)，延時(shí)的任務(wù)不占用寶貴的CPU資源。延時(shí)的任務(wù)由時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)跟蹤管理。當(dāng)任務(wù)延時(shí)結(jié)束并準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)會(huì)使該任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)定期運(yùn)行，其運(yùn)行由周期的時(shí)鐘節(jié)拍中斷觸發(fā)，而時(shí)鐘節(jié)拍中斷可由硬件定時(shí)器產(chǎn)生。

在μC／OS—III中，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)是在時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序中完成的，每次時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)都會(huì)遍歷整個(gè)任務(wù)鏈表，遞減所有延時(shí)任務(wù)的延時(shí)計(jì)數(shù)器。當(dāng)任務(wù)數(shù)目較多時(shí)，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)處理時(shí)間很長(zhǎng)，會(huì)造成中斷延遲時(shí)間和任務(wù)延遲時(shí)間都變得很長(zhǎng)，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

在μC／OS—III中，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)不再在時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序中完成，而是放到一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)中完成。而且，通過(guò)采用啥希散列表機(jī)制來(lái)管理延時(shí)任務(wù)，每次時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)只需要處理極少數(shù)的延時(shí)任務(wù)，從而大大減少了時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)花費(fèi)的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

另外，在μC／OS系列RTOS中，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)除了會(huì)跟蹤延時(shí)的任務(wù)，還會(huì)跟蹤那些指定了超時(shí)時(shí)限的等待任務(wù)。也就是說(shuō)，當(dāng)指定的超時(shí)時(shí)限結(jié)束時(shí)，即使任務(wù)等待的事件沒(méi)有發(fā)生，時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)也會(huì)使該任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行。

1 μC／OS—II中的時(shí)鐘節(jié)拍管理機(jī)制

在μC／OS—II中，每次時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)都會(huì)遍歷整個(gè)任務(wù)鏈表，依次處理各個(gè)任務(wù)。如果當(dāng)前處理的任務(wù)的延時(shí)計(jì)數(shù)為0，那么跳過(guò)該任務(wù)，繼續(xù)處理下一個(gè)任務(wù)；否則，把當(dāng)前任務(wù)的延時(shí)計(jì)數(shù)減1，然后，判斷減1后的延時(shí)計(jì)數(shù)是否為0。如果為0，表示任務(wù)延時(shí)結(jié)束了或等待超時(shí)了。由于μC／OS-Ⅱ允許其他任務(wù)調(diào)用OSTaskSuspend()函數(shù)強(qiáng)制掛起正在延時(shí)的任務(wù)，在這種情況下，不僅需要等到任務(wù)延時(shí)結(jié)束，還需要由其他任務(wù)調(diào)用OSTaskResume()函數(shù)解除該任務(wù)的強(qiáng)制掛起狀態(tài)，該任務(wù)才能進(jìn)入就緒態(tài)。因此，在延時(shí)計(jì)數(shù)遞減為0的時(shí)候，還需要判斷任務(wù)是否被強(qiáng)制掛起。只有任務(wù)沒(méi)有被強(qiáng)制掛起，才能使該任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)；否則，把延時(shí)計(jì)數(shù)設(shè)置為1，保持任務(wù)的延時(shí)狀態(tài)。μC／OS—II時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)的主要代碼和注釋如下：

在μC／OS—II中，由于每次時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)都要遍歷所有任務(wù)，因此，在任務(wù)數(shù)目較多時(shí)，其執(zhí)行時(shí)間可能很長(zhǎng)。另外，由于時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)函數(shù)OSTimeTICk()由時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序OSTicidSR()調(diào)用執(zhí)行，因此當(dāng)OSTimeTick()執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)，時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間也很長(zhǎng)。在中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)，所有任務(wù)都無(wú)法執(zhí)行，在這種情況下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會(huì)很差。

2 μC／OS-III中的時(shí)鐘節(jié)拍管理機(jī)制

針對(duì)μC／OS—II時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)的問(wèn)題，μC／OS—III主要做了兩點(diǎn)改進(jìn)：①用時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)來(lái)做時(shí)鐘節(jié)拍處理；②用時(shí)鐘節(jié)拍輪盤(pán)來(lái)分類(lèi)管理延時(shí)任務(wù)以及指定超時(shí)時(shí)限的等待任務(wù)。

2．1 時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)

在μC／OS—III中，增加了一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，即時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)OS_TickTask()。該任務(wù)是μC／OS-III中兩個(gè)總是會(huì)創(chuàng)建的系統(tǒng)任務(wù)之一。時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)負(fù)責(zé)處理延時(shí)任務(wù)和指定超時(shí)時(shí)限的等待任務(wù)，這樣，μC／OS—III就把時(shí)鐘節(jié)拍的處理工作放到任務(wù)級(jí)代碼中完成了。時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序和時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)之間的關(guān)系如圖1所示。

不論在μC／OS—II還是在μC／OS—III中，都需要一個(gè)硬件定時(shí)器(或其他能產(chǎn)生周期性中斷的外設(shè))來(lái)產(chǎn)生幾十到上千赫茲的時(shí)鐘節(jié)拍中斷。時(shí)鐘節(jié)拍中斷的具體頻率取決于所用的處理器的性能以及應(yīng)用需求。時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率越高，系統(tǒng)的延時(shí)精度越高，對(duì)處理器的處理能力要求也越高。
? ? 每次產(chǎn)生時(shí)鐘節(jié)拍中斷，CPU都會(huì)跳轉(zhuǎn)到時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序(ISR)中執(zhí)行。時(shí)鐘節(jié)拍ISR會(huì)調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)。前面提到過(guò)，μC ／OS—II的時(shí)鐘節(jié)拍ISR也會(huì)調(diào)用OSTimeTick()函數(shù)，在這一點(diǎn)上μC／OS—II和μC／OS—III看起來(lái)沒(méi)有區(qū)別，但實(shí)際上μC／OS—III中的OS TimeTick()函數(shù)與μC／OS—II中的OSTimeTick()函數(shù)有很大區(qū)別。μC／OS—III中的OSTimeTick()函數(shù)主要完成如下操作：向時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)發(fā)信號(hào)、調(diào)用OS_SchedRoundRobin()函數(shù)，以及向定時(shí)器任務(wù)發(fā)信號(hào)等。其中，后兩點(diǎn)與時(shí)鐘節(jié)拍的管理無(wú)關(guān)，這里不詳細(xì)介紹。精簡(jiǎn)的OSTimeTick()函數(shù)如下面這段代碼所示，其中只保留與時(shí)鐘節(jié)拍管理相關(guān)的代碼。
? ??

? ? 在μC／OS—III中，OSTimeTick()函數(shù)不需要遍歷任務(wù)鏈表，只是通過(guò)OSTaskSemPost()函數(shù)向時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)發(fā)信號(hào)。而時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)絕大部分時(shí)間內(nèi)都處于等待該信號(hào)的狀態(tài)，每次收到該信號(hào)時(shí)，時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)會(huì)恢復(fù)運(yùn)行，調(diào)用OS_TiekListUpdate()函數(shù)處理延時(shí)的任務(wù)，然后再次進(jìn)入等待該信號(hào)的狀態(tài)，其代碼如下：
? ??
? ??

? ? 相比μC／OS—II的時(shí)鐘節(jié)拍管理方式，μC／OS—III使用了專(zhuān)門(mén)的時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)來(lái)處理時(shí)鐘節(jié)拍，可大大減少時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間。

μC／OS—III為了提高時(shí)鐘節(jié)拍的處理速度，采用了哈希散列表機(jī)制來(lái)管理所有正在延時(shí)的任務(wù)和指定了超時(shí)時(shí)限的等待任務(wù)。這些任務(wù)都記錄在時(shí)鐘節(jié)拍列表(TICk List)中。時(shí)鐘節(jié)拍列表包含兩部分：一個(gè)稱(chēng)為時(shí)鐘節(jié)拍輪盤(pán)的數(shù)組(OSCfg_TickWheel[])和一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)器(OSTickCTR)，如圖2所示。

時(shí)鐘節(jié)拍列表中的每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)延時(shí)結(jié)束時(shí)刻或等待超時(shí)時(shí)限，假設(shè)為T(mén)M。比如，一個(gè)任務(wù)在時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)器數(shù)值為OSTickCtr時(shí)調(diào)用OSTimeDly()延時(shí)dly個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，那么該任務(wù)的延時(shí)結(jié)束時(shí)刻TM就等于OSTickCtr+dly。然后，用TM和時(shí)鐘節(jié)拍輪盤(pán)的表項(xiàng)個(gè)數(shù)(OS_CFG_TI CK_WHEEL_SIZE)做取模運(yùn)算，就可以得到一個(gè)余數(shù)I(I=TM％OS_CFG_TICK_WHEEL_SIZE)。那么，該延時(shí)任務(wù)就會(huì)放到時(shí)鐘節(jié)拍輪盤(pán)第1個(gè)表項(xiàng)指向的任務(wù)鏈表中。

時(shí)鐘節(jié)拍輪盤(pán)的每個(gè)表項(xiàng)都有3個(gè)成員：“．NbrEntriesMax”、“．NbrEntries”和“．FirstPtr”。其中，“．FirstPtr”指向該表項(xiàng)對(duì)應(yīng)的任務(wù)鏈表，所有分配到該表項(xiàng)的延時(shí)任務(wù)或指定超時(shí)時(shí)限的等待任務(wù)都會(huì)放到該任務(wù)鏈表中。“．NbrEntries”和“．NbrEntries Max”分別記錄任務(wù)鏈表中的當(dāng)前任務(wù)數(shù)目和歷史最大任務(wù)數(shù)目。在任務(wù)鏈表中，任務(wù)按照延時(shí)結(jié)束時(shí)刻或超時(shí)時(shí)限排序，結(jié)束時(shí)刻早的任務(wù)排在鏈表的前面。

通過(guò)采用哈希散列表機(jī)制，在每次時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)時(shí)，只需要處理時(shí)鐘節(jié)拍輪盤(pán)的某個(gè)特定表項(xiàng)所指向的任務(wù)鏈表，因?yàn)榍『迷谠摃r(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)時(shí)延時(shí)結(jié)束或等待超時(shí)的任務(wù)都一定處于該表項(xiàng)所指向的任務(wù)鏈表中，而該表項(xiàng)的索引號(hào)就等于OSTickCtr％OS_CFG_TICK_WHEEL_SIZ E。另外，由于各個(gè)表項(xiàng)指向的任務(wù)鏈表中的任務(wù)是按照延時(shí)結(jié)束時(shí)刻和等待超時(shí)時(shí)限的順序進(jìn)行排序的，這樣，在處理當(dāng)前任務(wù)鏈表時(shí)，就可以從位于鏈表頭部的任務(wù)開(kāi)始判斷任務(wù)延時(shí)結(jié)束時(shí)刻或等待超時(shí)時(shí)限是否等于OSTickCtr的當(dāng)前值。如果等于，說(shuō)明該任務(wù)延時(shí)結(jié)束或等待超時(shí)了，然后，再判斷下一個(gè)任務(wù)；如果不等于，說(shuō)明該任務(wù)延時(shí)沒(méi)有結(jié)束或等待沒(méi)有超時(shí)，同時(shí)也說(shuō)明，排在鏈表后面的任務(wù)都不可能延時(shí)結(jié)束或等待超時(shí)，因此，可以立即結(jié)束對(duì)任務(wù)鏈表的處理。

由于采用了哈希散列表機(jī)制，μC／OS—III中的時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)在大部分情況下只需要判斷極少數(shù)任務(wù)的延時(shí)結(jié)束時(shí)刻或超時(shí)時(shí)限，看其是否等于時(shí)鐘節(jié)拍計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，這相比μC／OS—II中需要遍歷整個(gè)任務(wù)鏈表的時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)，顯然效率要高很多。

結(jié)語(yǔ)

μC／OS—II中的時(shí)鐘節(jié)拍服務(wù)有兩個(gè)不足之處：一是需要遍歷整個(gè)任務(wù)鏈表，二是需要在時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)程序中進(jìn)行時(shí)鐘節(jié)拍的處理工作。當(dāng)系統(tǒng)中任務(wù)數(shù)目較多時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不完善的地方。在μC／OS—III中，通過(guò)增加一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍系統(tǒng)任務(wù)并采用哈希散列表機(jī)制，很好地解決了這兩點(diǎn)問(wèn)題，即使在系統(tǒng)任務(wù)數(shù)目很多的時(shí)候，也可以確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。