嵌入式操作系統中的搶占式調度策略

關(guān)鍵詞：搶占式 多任務(wù) 中斷

引 言

　　通過(guò)逐行閱讀順序程序的源代碼，不難說(shuō)出程序會(huì )向處理器提出什么樣的特定操作，并且也能說(shuō)出這些操作的順序。實(shí)際上，如果能夠知道對一個(gè)順序程序的所有輸入，那就不僅能精確預測到處理器所執行的一系列機器碼，還能計算出系統最終的輸出值或系統行為。這樣，無(wú)論這個(gè)程序運行的速度快慢，都能夠得到一個(gè)唯一的結果。

　　然而，在現實(shí)中順序操作程序是很少見(jiàn)的。譬如，在嵌入式系統C程序中的main（）函數，盡管它看上去是順序的，但是這種看似順序執行的程序最終會(huì )被系統的硬件中斷，在某個(gè)時(shí)刻所打斷。當外圍設備中斷產(chǎn)生后，相應的中斷服務(wù)程序會(huì )運行，從而取代當前main（）函數的執行。這個(gè)過(guò)程就可以稱(chēng)為搶占。

　　搶占意味著(zhù)main（）函數將以比預期慢的速度執行。這是因為它執行速度的快慢與系統中斷的數量、中斷程序的執行時(shí)間以及用于保存和恢復處理器狀態(tài)的操作時(shí)間有著(zhù)直接的關(guān)系。實(shí)質(zhì)上，大部分的處理器周期都被中斷服務(wù)程序給占用了。除非對中斷服務(wù)程序有時(shí)間的限制，否則，這些中斷自身并不會(huì )改變系統其它部分的輸出，它們只是減慢了程序的執行。

　　由于絕大多數中斷服務(wù)程序處理來(lái)自于系統設備的中斷，這樣它們的執行必將會(huì )帶來(lái)系統狀態(tài)的改變。這種狀態(tài)的改變最終會(huì )給后續指令主序列中的系統行為帶來(lái)變化，指令主序列則必須做出適當的反應來(lái)避免狀態(tài)改變帶來(lái)的影響。此時(shí)，不但難以預測處理器將執行的操作，同時(shí)也難以知道何時(shí)，并且以何種順序來(lái)執行這些操作。

　　絕大多數處理器支持中斷的嵌套。一個(gè)打斷程序順序執行的中斷服務(wù)程序可以被另一個(gè)更高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序所打斷。當該高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序執行完成后，最初的中斷可以在指令主序列之前得以繼續執行。

　　當每一個(gè)搶占過(guò)程發(fā)生時(shí)，處理器標志位、當前PC指針以及關(guān)鍵寄存器的內容都應該被保存起來(lái)（通常在RAM中），這稱(chēng)為被搶占程序的上下文（context）。這些信息會(huì )在該程序進(jìn)入運行態(tài)之前恢復到處理器中。在中斷事件產(chǎn)生時(shí)，大多數處理器會(huì )自動(dòng)保存這些值，剩下的就是必須執行中斷服務(wù)程序的入口和出口代碼了。

1 偽并行

　　一個(gè)近似的技術(shù)就是使處理器像對待處理硬件事件一樣處理軟件事件。為了達到這個(gè)目的，需要將系統劃分為一系列獨立的事件來(lái)處理，即任務(wù)。搶占式調度方式使這個(gè)想法成為可能。該調度方式管理著(zhù)系統軟件對處理器的使用，并且使系統能夠保證對時(shí)間要求嚴格的事件得以有效的執行。

每個(gè)任務(wù)就是一個(gè)順序執行的函數，并常常以一個(gè)無(wú)限循環(huán)作為結束。這樣，就好像任務(wù)獨占了處理器；同時(shí)，每個(gè)任務(wù)都被賦予特定的工作，如讀傳感器、掃描鍵盤(pán)、記錄一些數據或者刷新顯示等。每個(gè)任務(wù)都擁有一個(gè)相應的優(yōu)先級，并在RAM中有屬于自己的堆?？臻g?？偟膩?lái)說(shuō)，這一系列任務(wù)一起完成了整個(gè)系統所要完成的功能。

　　當一個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)搶占一個(gè)低優(yōu)先級任務(wù)時(shí)，調度器所做的操作與處理器處理中斷的操作一致。首先，將當前運行任務(wù)的上下文保存到內存中某個(gè)地方，然后開(kāi)始執行新的任務(wù)。如果這個(gè)新任務(wù)在先前已經(jīng)運行了，那它必有一個(gè)保存的上下文，那么，則需要恢復這些內容使其繼續運行。當高優(yōu)先級任務(wù)執行完后，調度器將保存其最終的上下文，并且恢復被搶占任務(wù)的運行，就好像該低優(yōu)先級任務(wù)從沒(méi)被打斷過(guò)。

　　經(jīng)過(guò)這樣劃分，每個(gè)任務(wù)函數可以被寫(xiě)成獨占處理器的形式。在實(shí)際應用中，往往大多數系統中只有一個(gè)處理器。所以在某個(gè)特定時(shí)刻應該只有一個(gè)任務(wù)或中斷在執行。當沒(méi)有中斷發(fā)生時(shí)，調度器會(huì )根據就緒任務(wù)的優(yōu)先級來(lái)決定任務(wù)的運行次序。

　　圖1顯示了兩個(gè)不同優(yōu)先級任務(wù)和一個(gè)中斷服務(wù)程序的執行情況。首先，中斷服務(wù)程序搶占低優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入運行態(tài)，但是該中斷服務(wù)程序使一個(gè)更高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)。所以在中斷服務(wù)程序執行完成后，調度器選擇該高優(yōu)先級任務(wù)進(jìn)入運行，這樣就推遲了恢復執行被搶占任務(wù)的操作。需要注意的是，處理器總是認為系統中低優(yōu)先級的中斷比高優(yōu)先級的任務(wù)更重要。

2 任務(wù)控制

　　 有關(guān)每個(gè)任務(wù)的信息，如任務(wù)起始地址（在C中就是函數名的地址）、任務(wù)優(yōu)先級和任務(wù)執行需要的堆?？臻g，都必須提供給調度器。系統調用正是利用這些信息來(lái)建立一個(gè)新的任務(wù)。盡管在不同的操作系統中，這些信息會(huì )有所不同，但它們的作用是一樣的。

　　在任務(wù)函數的實(shí)現體中，可能會(huì )調用與軟件事件或定時(shí)事件相關(guān)的系統函數。許多任務(wù)會(huì )等待一個(gè)特定類(lèi)型的事件并對之作出響應。如一些可能產(chǎn)生一個(gè)軟件事件；另一些可能做一個(gè)100ns的等待，然后再進(jìn)行重復。

　　軟件事件和超時(shí)事件可以由其它任務(wù)或中斷服務(wù)程序來(lái)產(chǎn)生。對于后者，可以參看圖1。圖1顯示了一個(gè)中斷服務(wù)程序產(chǎn)生了一個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)正在等待的事件（從而喚醒該任務(wù)）。當然，可能該中斷服務(wù)程序只是執行了一個(gè)時(shí)鐘中斷，而該高優(yōu)先級任務(wù)只是等待計數器到達某一個(gè)數值。由于新的軟件事件的到來(lái)，該高優(yōu)先級任務(wù)將在下一次任務(wù)調度后投入運行。

　　可以采用不同方式，甚至隨機地為任務(wù)設置優(yōu)先級。然而，單調執行率算法（RAM）為我們提供了一個(gè)理想的方法來(lái)保證關(guān)鍵任務(wù)的時(shí)間期限總能得到滿(mǎn)足。

3 權 衡

　　在使用搶占式調度策略的系統中，內存消耗主要包含系統調用函數額外的ROM和任務(wù)堆棧使用的RAM。另一個(gè)代價(jià)就是CPU時(shí)間的損耗。例如，調度策略會(huì )消耗處理器的時(shí)鐘周期；上下文切換和時(shí)鐘節拍會(huì )消耗相當一部分的CPU時(shí)間，特別是它們頻繁發(fā)生的情況下。

　　當任務(wù)共享諸如全局變量、數據結構或外設控制以及狀態(tài)寄存器等系統資源時(shí)，此時(shí)一個(gè)稱(chēng)為互斥的系統機制被用來(lái)避免對這些共享資源競爭?；コ鈾C制是一個(gè)避免資源競爭的有效方法；但同時(shí)它會(huì )帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題――優(yōu)先級反轉。

　　在一些應用中，將系統分成一個(gè)個(gè)獨立任務(wù)來(lái)設計，并使用搶占式的調度策略。這將簡(jiǎn)化系統設計，但這種方法的利弊是需要權衡的。我們只有充分考慮這些權衡條件，才能對該方法是否適合我們的應用做出正確的判斷。