關(guān)于uC/OS-II中優(yōu)先級翻轉問(wèn)題

引 言：

1 uC/OS-II的運行機制

　　在嵌入式系統的應用中，實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的指標，而優(yōu)先級翻轉是影響系統實(shí)時(shí)性的重要問(wèn)題。本文著(zhù)重分析優(yōu)先級翻轉問(wèn)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(gè)實(shí)時(shí)、多任務(wù)的操作系統。系統中的每個(gè)任務(wù)具有一個(gè)任務(wù)控制快OS_TCB，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級，任務(wù)的堆棧指針，任務(wù)的相關(guān)事件控制塊指針等。內核將系統中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表(ready list)進(jìn)行標注，通過(guò)就緒表中的兩個(gè)變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]可快速查找系統中就緒的任務(wù)。在uC/OS-II中每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級，因此任務(wù)的優(yōu)先級也是任務(wù)的唯一編號(ID)，可以作為任務(wù)的唯一標識。內核可用控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]由任務(wù)的優(yōu)先級查到任務(wù)控制塊的地址。uC/OS-II主要就是利用任務(wù)控制快OS_TCB、就緒表(ready list)和控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]來(lái)進(jìn)行任務(wù)調度的。任務(wù)調度程序OSSched()首先由就緒表(ready list)中找到當前系統中處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后根據其優(yōu)先級由控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]取得相應任務(wù)控制塊的地址，由OS_TASK_SW()程序進(jìn)行運行環(huán)境的切換。將當前運行環(huán)境切換成該任務(wù)的運行環(huán)境，則該任務(wù)由就緒態(tài)轉為運行態(tài)。當這個(gè)任務(wù)運行完畢或因其它原因掛起時(shí)，任務(wù)調度程序OSSched()再次到就緒表(ready list)中尋找當前系統中處于就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，轉而執行該任務(wù)，如此完成任務(wù)調度。若在任務(wù)運行時(shí)發(fā)生中斷，則轉向執行中斷程序，執行完畢后不是簡(jiǎn)單的返回中斷調用處，而是由OSIntExit()程序進(jìn)行任務(wù)調度，執行當前系統中優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)。當系統中所有任務(wù)都執行完畢時(shí)，任務(wù)調度程序OSSched()就不斷執行優(yōu)先級最低的空閑任務(wù)OSTaskIdle()，等待用戶(hù)程序的運行。

2 uC/OS-II中的優(yōu)先級翻轉問(wèn)題

　　在uC/OS-II中，多個(gè)任務(wù)按照優(yōu)先級高低由內核調度執行，而且任務(wù)調度所花的時(shí)間是常數，與應用程序中建立的任務(wù)數無(wú)關(guān)。對于占先式內核，任務(wù)的響應時(shí)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(wù)最先執行。

　　任務(wù)的響應時(shí)間=尋找最高優(yōu)先級任務(wù)的時(shí)間+任務(wù)切換時(shí)間
　　
　　在uC/OS-II中尋找進(jìn)入就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)是通過(guò)查就緒表實(shí)現的，這減少了所需時(shí)間。
y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
x= OSUnMapTbl [OSRdyTbl[y]];
prio=(y3)+x;

　　任務(wù)切換是通過(guò)調用匯編函數OS_TASK_SW()來(lái)實(shí)現的，主要完成兩個(gè)任務(wù)運行環(huán)境的保存和恢復。因此用戶(hù)可以通過(guò)安排任務(wù)的優(yōu)先級，保證系統的實(shí)時(shí)性。當涉及到共享資源的互斥訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統常常會(huì )出現優(yōu)先級翻轉問(wèn)題(priority inversion)，不能保證高優(yōu)先級任務(wù)的響應時(shí)間，影響系統的實(shí)時(shí)性，uC/OS-II中也存在同樣問(wèn)題。所謂優(yōu)先級翻轉問(wèn)題(priority inversion)即當一個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)通過(guò)信號量機制訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí)，該信號量已被一低優(yōu)先級任務(wù)占有，而這個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)在訪(fǎng)問(wèn)共享資源時(shí)可能又被其它一些中等優(yōu)先級的任務(wù)搶先，因此造成高優(yōu)先級任務(wù)被許多具有較低優(yōu)先級的任務(wù)阻塞，實(shí)時(shí)性難以得到保證。例如：有優(yōu)先級為A、B和C的三個(gè)任務(wù)，優(yōu)先級A>B>C，任務(wù)A，B處于掛起狀態(tài)，等待某一事件的發(fā)生，任務(wù)C正在運行，此時(shí)任務(wù)C開(kāi)始使用某一共享資源S。在使用中，任務(wù)A等待的事件到來(lái)，任務(wù)A轉為就緒態(tài)，因為它比任務(wù)C優(yōu)先級高，所以立即執行。當任務(wù)A要使用共享資源S時(shí)，由于其正在被任務(wù)C使用，因此任務(wù)A被掛起，任務(wù)C開(kāi)始運行。如果此時(shí)任務(wù)B等待的事件到來(lái)，則任務(wù)B轉為就緒態(tài)。由于任務(wù)B的優(yōu)先級比任務(wù)C高，因此任務(wù)B開(kāi)始運行，直到其運行完畢，任務(wù)C才開(kāi)始運行。直到任務(wù)C釋放共享資源S后，任務(wù)A才得以執行。在這種情況下，優(yōu)先級發(fā)生了翻轉，任務(wù)B先于任務(wù)A運行。這樣便不能保證高優(yōu)先級任務(wù)的響應時(shí)間，解決優(yōu)先級翻轉問(wèn)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(wù)申請某資源時(shí)，把該任務(wù)的優(yōu)先級提升到可訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)資源的所有任務(wù)中的最高優(yōu)先級，這個(gè)優(yōu)先級稱(chēng)為該資源的優(yōu)先級天花板。這種方法簡(jiǎn)單易行，不必進(jìn)行復雜的判斷，不管任務(wù)是否阻塞了高優(yōu)先級任務(wù)的運行，只要任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)共享資源都會(huì )提升任務(wù)的優(yōu)先級。在uC/OS-II中，可以通過(guò)OSTaskChangePrio()改變任務(wù)的優(yōu)先級，但是改變任務(wù)的優(yōu)先級是很花時(shí)間的。如果不發(fā)生優(yōu)先級翻轉而提升了任務(wù)的優(yōu)先級，釋放資源后又改回原優(yōu)先級，則無(wú)形中浪費了許多CPU時(shí)間，也影響了系統的實(shí)時(shí)性。

　　優(yōu)先級繼承是當任務(wù)A申請共享資源S時(shí)，如果S正在被任務(wù)C使用，通過(guò)比較任務(wù)C與自身的優(yōu)先級，如發(fā)現任務(wù)C的優(yōu)先級小于自身的優(yōu)先級，則將任務(wù)C的優(yōu)先級提升到自身的優(yōu)先級，任務(wù)C釋放資源S后，再恢復任務(wù)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(wù)阻塞了高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)才動(dòng)態(tài)的改變任務(wù)的優(yōu)先級，如果過(guò)程較復雜，則需要進(jìn)行判斷。uC/OS-II不支持優(yōu)先級繼承，而且其以任務(wù)的優(yōu)先級作為任務(wù)標識，每個(gè)優(yōu)先級只能有一個(gè)任務(wù)，因此，不適宜在應用程序中使用優(yōu)先級繼承。

3 uC/OS-II中優(yōu)先級翻轉問(wèn)題的解決

　　在uC/OS-II中，為解決優(yōu)先級翻轉影響任務(wù)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，可以借鑒優(yōu)先級繼承的方法對優(yōu)先級天花板方法進(jìn)行改進(jìn)。對uC/OS-II的使用，共享資源任務(wù)的優(yōu)先級不是全部提升，而是先判斷再決定是否提升。即當有任務(wù)A申請共享資源S時(shí)，首先判斷是否有別的的任務(wù)正在占用資源S，若無(wú)，則任務(wù)A繼續執行，若有，假設為任務(wù)B正在使用該資源，則判斷任務(wù)B的優(yōu)先級是否低于任務(wù)A，若高于任務(wù)A，則任務(wù)A掛起，等待任務(wù)B釋放該資源，如果任務(wù)B的優(yōu)先級低于任務(wù)A，則提升任務(wù)B的優(yōu)先級到該資源的優(yōu)先級天花板，當任務(wù)B釋放資源后，再恢復到原優(yōu)先級。在uC/OS-II中，每個(gè)共享資源都可看作一個(gè)事件，每個(gè)事件都有相應的事件控制塊ECB。在ECB中包含一個(gè)等待本事件的等待任務(wù)列表，該列表包括OSEventTbl[]和OSEventGrp兩個(gè)域，通過(guò)對等待任務(wù)列表的判斷可以很容易的確定是否有多個(gè)任務(wù)在等待該資源，同時(shí)也可判斷任務(wù)的優(yōu)先級與當前任務(wù)優(yōu)先級的高低，從而決定是否需要用OSTaskChangePio()來(lái)改變任務(wù)的優(yōu)先級。這樣，僅在優(yōu)先級有可能發(fā)生翻轉的情況下才改變任務(wù)的優(yōu)先級，而且利用事件的等待任務(wù)列表進(jìn)行判斷，比用OSTaskChangePio()來(lái)改變任務(wù)的優(yōu)先級速度快，并占用較少的CPU時(shí)間，有利于系統實(shí)時(shí)性的提高。

　　總之，優(yōu)先級翻轉問(wèn)題是多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統普遍存在的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題也存在于uC/OS-II中。通過(guò)在應用程序中進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，在可能出現優(yōu)先級翻轉的情況下動(dòng)態(tài)的改變任務(wù)的優(yōu)先級，可以有效地避免任務(wù)的優(yōu)先級翻轉，保證高優(yōu)先級任務(wù)的執行，提高了系統的實(shí)時(shí)性。

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關(guān)于μC/OS-II系列軟件版權的說(shuō)明

Micrium 公司產(chǎn)品包括μC/OS-II，μC/GUI，uC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB等。Micrium 公司提供嵌入式系統應用方面的產(chǎn)品，并對其軟件擁有知識產(chǎn)權。Micrium花費了大量的時(shí)間和財力為嵌入式領(lǐng)域提供高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品。所有上述產(chǎn)品都以源代碼的形式提供給客戶(hù)，具有極大的適用性。產(chǎn)品不是免費軟件，也不是開(kāi)放源碼的軟件，因此，不能免費使用，需要清楚的闡明μC/OS-II和系列的軟件不是開(kāi)放源碼的免費軟件，這是和Linux完全不一樣的。

開(kāi)發(fā)和研究者可以通過(guò)購買(mǎi)Micrium公司的Jean先生的μC/OS-II的書(shū)籍，而得到μC/OS-II源代碼,但是僅可以作為個(gè)人和學(xué)校學(xué)習使用，所有和μC/OS-II直接和間接相關(guān)的商業(yè)目的行為，必須購買(mǎi)使用μC/OS-II及系列產(chǎn)品的商業(yè)授權，包括芯片/單板/系統廠(chǎng)家的任何參考設計，教學(xué)設備和最終的產(chǎn)品，如果沒(méi)有得到Micrium公司Jean先生簽字的合法授權都是不合法的使用, 這在μC/OS-II的書(shū)籍Micrium公司(www.micrium.com)和中國代理商-北京麥克泰軟件公司網(wǎng)站（www.bmrtech.com）上面中有明確規定。

Micrium公司其它軟件如μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等的銷(xiāo)售模式與μC/OS-II不同，如果沒(méi)有購買(mǎi)使用授權，完全不可以擁有該源代碼，也不能將源代碼用于產(chǎn)品的設計，培訓，教學(xué)和生產(chǎn)。

μC/OS-II, μC/GUI，μC/FS，μC/TCP-IP，μC/USB 等授權方式有：?jiǎn)蝹€(gè)產(chǎn)品、產(chǎn)品線(xiàn)（系列）、按照CPU 劃分的產(chǎn)品三種形式，μC/OS-KA，μC/OS-VIEW 等工具是按照使用人的數目收取費用的，相對起傳統的RTOS 動(dòng)輒2-3萬(wàn)美圓的開(kāi)發(fā)費用和每塊單板的使用費（根據數量從數百到幾個(gè)美圓），μC/OS-II及系列產(chǎn)品是采用一次性的收費方式，應該只是大約相當于傳統RTOS 的10-20% 的總體費用。

如果您正在將μC/OS-II系列軟件用于您的產(chǎn)品，您需要購買(mǎi)并獲得正式使用授權。

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