uC/OS-II內(nèi)核超時等待機(jī)制

1 引言
　　uC/OS-II是著名的源碼公開的實(shí)時內(nèi)核［1］，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于各類8位16位和32位單片機(jī)或DSP。現(xiàn)在有很多使用者正在或已經(jīng)將其移植到各種類型的芯片。因?yàn)樵创a公開，uC/OS-II也經(jīng)常被作為嵌入式實(shí)時內(nèi)核的教材，為專業(yè)人員提供了學(xué)習(xí)實(shí)時內(nèi)核的難得機(jī)會。在實(shí)際使用中不管基于何種操作系統(tǒng)平臺，應(yīng)用程序經(jīng)常會等待一些系統(tǒng)資源，如信號量，事件標(biāo)志，消息等。等待類型共有三種：（1）如果不能馬上獲取，懸掛等待；（2）不管是否能獲取資源，馬上返回，不會等待；（3） 如果不能馬上獲取資源，將進(jìn)行有限時間的等待，即超時等待。
　　2 超時等待機(jī)制的基本原理
　　應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口獲取資源時，在系統(tǒng)調(diào)用的入口參數(shù)里可以指定超時等待的最大時間，通常以毫秒為單位，內(nèi)核會將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的時鐘滴嗒數(shù)（tick）。一般內(nèi)核都會執(zhí)行以下流程：
　?。?）如果資源能馬上獲取，系統(tǒng)調(diào)用將成功返回。
　?。?）如果資源不能馬上獲取，內(nèi)核將設(shè)置一定時器進(jìn)行計時，把當(dāng)前任務(wù)懸掛在該資源的等待隊(duì)列上，該任務(wù)從就緒表中刪除，并進(jìn)行調(diào)度，讓出CPU的使用權(quán)。
　?。?）如果在指定的時間內(nèi)資源變得可以獲取了，定時器應(yīng)馬上停止計時，該任務(wù)從等待隊(duì)列里摘下并且重新回到就緒表中等候調(diào)度。
　?。?）如果定時器到時，任務(wù)應(yīng)該從等待隊(duì)列里摘下并且重新回到就緒表中，系統(tǒng)調(diào)用返回超時信息。
　　內(nèi)核在每一個tick都會做一系列的工作，包括任務(wù)的延遲以及超時等待資源的定時器等相關(guān)的檢查操作。一般來講，在指定的時間間隔以外到達(dá)的資源和信號被認(rèn)為是無效的，這也是指定超時時間間隔的原意所在，有些對時間要求苛刻的場合就有這種需求，內(nèi)核必須處理好這方面的問題。
　　3 uC/OS-II內(nèi)核超時等待機(jī)制的分析
　　假設(shè)某任務(wù)T超時等待信號量資源R，先來分析時鐘節(jié)拍函數(shù)的源代碼。
　　void OSTimeTick（void）
　　{
　　OS_TCB *ptcb;
　　OSTimeTickHook（）;
　　ptcb=OSTCBList;
　　while（ptcb-》OSTCBPrio！=OS_IDLE_PRIO）{
　　OS_ENTER_CRITICAL（）;
　　if（ptcb-》OSTCBDly！=0）{
　　if（--ptcb-》OSTCBDly==0）{
　　if（?。╬tcb-》OSTCBStat&OS_STAT_SUSPEND））{//（1）
　　OSRdyGrp|=ptcb-》OSTCBBity; //（2）
　　OSRdyTbl［ptcb-》OSTCBY］|=ptcb-》OSTCBBitX;//（3）
　　}else {
　　ptcb-》OSTCBDly=1;
　　}
　　}
　　}
　　ptcb=ptcb-》OSTCBNext;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　}
　　OS_ENTER_CRITICAL（）;
　　OSTime++;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　}
　　語句（1），（2），（3）表明：時鐘中斷服務(wù)程序在每一個時鐘中斷在需要的情況下對任務(wù)的延遲項(xiàng)進(jìn)行減1操作，如果任務(wù)T的定時時間間隔到期（延遲項(xiàng)被減為0），并且任務(wù)T沒有附加的掛起操作，任務(wù)T就會進(jìn)入就緒表，然而該函數(shù)卻沒有進(jìn)一步將任務(wù)T移出資源R的等待隊(duì)列，也就是說此時任務(wù)T跨了兩個狀態(tài)，這兩個狀態(tài)從本質(zhì)上講是矛盾的。雖然任務(wù)T此時處于就緒狀態(tài)，但未必馬上就能獲得執(zhí)行權(quán)，這取決于任務(wù)T的優(yōu)先級。在任務(wù)T沒有被調(diào)度執(zhí)行之前的這段時間內(nèi)，假設(shè)資源R到達(dá)了，比如一個中斷服務(wù)程序調(diào)用了OSSemPost函數(shù)，會是什么情況呢？我們再來分析OSSemPost函數(shù)。
　　void OSSemPost（OS_EVENT *pevent）
　　{
　　OS_ENTER_CRITICAL（）;
　　if（pevent-》OSEventGrp！=0x00）{
　　OS_EventTaskRdy（pevent，（void*）0，OS_STAT_SEM）;//（4）
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　OS_Sched（）;
　　return（OS_NO_ERR）;
　　}
　　if（pevent-》OSEventCnt《65535）{
　　pevent-》OSEventCnt++;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　return（OS_NO_ERR）;
　　}
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　return（OS_SEM_OVF）;
　　}
　　}
　　從語句（4）可以看出，在資源R的等待列表中有等待任務(wù)的情況下，等待表中最高優(yōu)先級的任務(wù)將從等待列表中刪除，并且進(jìn)入就緒表。如果等待表中的最高優(yōu)先級任務(wù)就是前面講的等待超時的任務(wù)T，這相當(dāng)于任務(wù)T又一次進(jìn)入就緒表，不過只有一次從等待表中刪除。任務(wù)T獲取到了資源，只不過是在超時時間以外獲取到的。任務(wù)T獲得執(zhí)行權(quán)以后從調(diào)度程序返回將運(yùn)行函數(shù)OSSemPend（）語句（6）處的條件代碼，此時語句（5）處的條件不成立，任務(wù)按獲取到資源對待。
　　void OSSemPend（OS_EVENT *pevent，INT16U timeout，INT8U *err）
　　{
　　OS_ENTER_CRITICAL（）;
　　if（pevent-》OSEventType！=OS_EVENT_TYPE_SEM）{
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　*err=OS_ERR_EVENT_TYPE;
　　}
　　if（pevent-》OSEventCnt》0）{
　　pevent-》OSEventCnt--;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　*err=OS_NO_ERR;
　　}else if（OSIntNesting》0）{
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　*err=OS_ERR_PEND_ISR;
　　}else{
　　OSTCBCur-》OSTCBStat|=OS_STAT_SEM;
　　OSTCBCur-》OSTCBDly=timeout;
　　OSEventTaskWait（pevent）;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　OSSched（）;
　　OS_ENTER_CRITICAL（）;
　　if（OSTCBCur-》OSTCBStat&OS_STAT_SEM）{ //（5）
　　OSEventTo（pevent）;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　*err=OS_TIMEOUT;
　　}else{ //（6）
　　OSTCBCur-》OSTCBEventPtr=（OS_EVENT*0）;
　　OS_EXIT_CRITICAL（）;
　　*err=OS_NO_ERR;
　　}
　　}
　　}
　　void OSEventTo（OS_EVENT *pevent）
　　{
　　if（（pevent-》OSEventTbl［OSTCBCur-》OSTCBY］&=~OSTCBCur-》OSTCBBitX）==0）
　　{
　　pevent-》OSEventGrp&=~OSTCBBitY;
　　}
　　OSTCBCur-》OSTCBStat=OS_STAT_RDY;
　　v OSTCBCur-》OSTCBEventPtr=（OS_EVENT*0）;}
　　如果任務(wù)T由于超時進(jìn)入就緒態(tài)，到T獲得執(zhí)行權(quán)之前，仍沒有獲取到資源R，將運(yùn)行語句（5）處的條件代碼，由函數(shù)OSEventTo（）可以看出，此時任務(wù)T才被從等待表中刪除，最后返回超時狀態(tài)。
　　通過分析開放源碼的nucleus內(nèi)核，發(fā)現(xiàn)nucleus在超時到期時執(zhí)行定時器的一個回調(diào)函數(shù)，此回調(diào)函數(shù)馬上將等待任務(wù)從等待鏈表中刪除，將返回狀態(tài)定性為超時。這樣在任務(wù)獲得執(zhí)行權(quán)前，即使資源到達(dá)，該任務(wù)也不會得到。這樣一來，uC/OS-II內(nèi)核只要在時鐘節(jié)拍函數(shù)里增加代碼將延時期滿的任務(wù)從相應(yīng)的資源等待列表中刪除即可。這一工作很容易實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核任務(wù)控制塊有指向所等待的信號量，消息等事件控制塊的指針，事件控制塊里有相應(yīng)的等待表。對于uC/OS-II新引進(jìn)的事件標(biāo)志組［2］，任務(wù)控制塊有指向相應(yīng)的等待節(jié)點(diǎn)的指針，等待節(jié)點(diǎn)有指向相應(yīng)的事件標(biāo)志組控制塊的指針，刪除一個等待節(jié)點(diǎn)也能實(shí)現(xiàn)。
　　4 結(jié)論
　　uC/OS-II其它資源的等待機(jī)制，比如消息以及包括2.5.2版引入的事件標(biāo)志組的實(shí)現(xiàn)都存在上述的超時時間不嚴(yán)格的問題，這是由中斷節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick（）決定的，該函數(shù)只負(fù)責(zé)將任務(wù)移入就緒表，而不處理相應(yīng)的等待表。
　　參考文獻(xiàn)：
　?。?］Labrosse Jean J.uc/OS-II-源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)［M］。北京：中國電力出版社，2001.
　?。?］Labrosse Jean J. 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)uc/OS-II［M］。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.