嵌入式操作系統任務(wù)切換方法對比分析
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在Linux系統中，任務(wù)的上下文切換和調度比較復雜。Linux的上下文切換功能是由context_switch()函數完成的。代碼如下：
context_switch()完成了2個(gè)工作：
①切換虛擬內存映射，即負責把虛擬內存從被切換下來(lái)的進(jìn)程映射到新進(jìn)程中，該功能由函數switcn_mm()實(shí)現。
②切換進(jìn)程的寄存器狀態(tài)，即負責從一個(gè)進(jìn)程的處理器狀態(tài)切換到新進(jìn)程的處理器狀態(tài)，該功能由函數switcn_to()實(shí)現。
在多任務(wù)系統中，都會(huì )提供一個(gè)系統函數來(lái)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間切換，綜合來(lái)說(shuō)，它們有兩種進(jìn)程(任務(wù))切換方式：
①由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調用任務(wù)切換函數進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在當前進(jìn)程(任務(wù))因為不能獲得必需的資源而立即被堵塞時(shí)，就由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調用進(jìn)程(任務(wù))切換函數進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間調度。在Linux中可以直接調用schedule()函數來(lái)實(shí)現。
②延遲調用任務(wù)切換函數進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。此方式是把當前進(jìn)程(任務(wù))設置一調度標志而以延遲方式調用任務(wù)切換函數進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在Linux系統中，總是在恢復用戶(hù)態(tài)進(jìn)程執行之前，檢查這一調度標志，在這里標志是need_resched，如果有這一標志，就調用調度函數進(jìn)行進(jìn)程切換。
此種情況主要包括以下幾種：
①當前進(jìn)程用完了它的CPU時(shí)間片，由scheduler_tick()函數完成schedule()的延遲調用。
②當一個(gè)被喚醒進(jìn)程的優(yōu)先級比當前進(jìn)程優(yōu)先級高時(shí)，由try_to_wake_up()函數完成schedule()的延遲調用。
③當發(fā)出系統調用sched_setscheduler()時(shí)。在這些情況中，主要由于系統調用或中斷而進(jìn)入內核態(tài)，或者當前進(jìn)程本來(lái)在內核態(tài)時(shí)，返回用戶(hù)態(tài)時(shí)發(fā)生的。
在VxWorks系統中，任務(wù)的優(yōu)先級為0～255。任務(wù)有4種狀態(tài)：就緒態(tài)、懸置態(tài)、休眠態(tài)和延遲態(tài)，如圖3所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/150419.htm
內核缺省調度機制為基于優(yōu)先級的搶占式調度。采用這種機制，系統把處理機分配給優(yōu)先級最高的進(jìn)程，使之執行。一旦出現優(yōu)先級更高的進(jìn)程時(shí)，該任務(wù)被剝奪CPU使用權，而去執行優(yōu)先級更高的任務(wù)。而在相同優(yōu)先級的多個(gè)任務(wù)之間，采用時(shí)間片輪轉調度機制。采用這種機制，當一個(gè)任務(wù)到達時(shí)，它被安排在輪轉隊列的后面，等待分配給自己的時(shí)間片的到來(lái)，如果在時(shí)間片內沒(méi)有結束，則在等待屬于自己的時(shí)間片的到來(lái)，直到任務(wù)完成。
在VxWorks系統中，對于優(yōu)先級相同的任務(wù)，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過(guò)時(shí)間片輪轉方式公平享有CPU資源。輪轉調度法給處于就緒態(tài)的每個(gè)同優(yōu)先級的任務(wù)分配一個(gè)相同的時(shí)間片，該時(shí)間片的大小由系統調用KernelTimeSlice決定。
在Windows CE系統中，Windows CE 3．0之后，系統支持的優(yōu)先級增長(cháng)到256個(gè)，0優(yōu)先級級別最高，255優(yōu)先級級別最低。0～247的優(yōu)先級屬于實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)先級，248～255的優(yōu)先級一般分配給普通應用程序。Windows CE．NET采用基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)機制，越重要的任務(wù)，優(yōu)先級越高。Windows CE．NET在任務(wù)調度中采用任務(wù)優(yōu)先級制、優(yōu)先級動(dòng)態(tài)調整機制和搶占式調度，都是為了最大限度地滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求。對于一個(gè)優(yōu)先級只有一個(gè)任務(wù)的簡(jiǎn)單系統內核，上述的3種調度足以滿(mǎn)足要求，但對于Windows CE．NET這樣復雜、高性能的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，由于多個(gè)任務(wù)允許公用一個(gè)優(yōu)先級，則相同優(yōu)先級的任務(wù)要采用Windows CE．NET提供的時(shí)間片輪轉法實(shí)現。具體實(shí)現如圖4所示。
在沒(méi)有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒時(shí)，相同優(yōu)先級的任務(wù)依照就緒的先后次序執行。執行一定的時(shí)間片后，無(wú)論任務(wù)完成與否，均轉入下一任務(wù)運行。未運行完的任務(wù)釋放處理器的控制權后轉入就緒隊列的末尾，依次往復。這樣的輪轉策略保證了具有相同優(yōu)先級的任務(wù)平等地享有控制權的處理權。在Windows CE系統中，一般設置的時(shí)間片大小為10 ms。
3 總結
本文對幾種操作系統的內核的主要部分(任務(wù)切換與調度)進(jìn)行了分析比較，便于理解其實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后進(jìn)行系統的移植和開(kāi)發(fā)打下基礎。由于筆者時(shí)間和精力有限，而且目前的操作系統很多，本文只分析了4種系統，還不夠完善。未來(lái)可以對其他更多的實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行分析比較。
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