μC／OS-II定時(shí)器算法分析與測試

引 言
μC／OS-II操作系統是建立在微內核基礎上的實(shí)時(shí)操作系統，搶占式多任務(wù)、微內核、移植性好等特點(diǎn)，使其在諸多領(lǐng)域都有較好的應用。
在μC／OS-II 2．83及其以后的版本中，一個(gè)較大的變化就是增加了對軟件定時(shí)器的支持。這使得μC／OS實(shí)時(shí)操作系統的功能更加完善，在其上的應用程序開(kāi)發(fā)與移植也更加方便。在實(shí)時(shí)操作系統中一個(gè)好的軟件定時(shí)器實(shí)現要求有較高的精度、較小的處理器開(kāi)銷(xiāo)，且占用較少的存儲器資源。本文在對μC／OS-II定時(shí)器算法分析的基礎上，對定時(shí)精度和處理器占用情況進(jìn)行了分析與測試，其結果在實(shí)時(shí)系統的設計與應用中具有借鑒意義。

1 定時(shí)器實(shí)現架構
在μC／OS-II操作系統內部，任務(wù)的延時(shí)功能及軟件定時(shí)器功能，都需要底層有一個(gè)硬件的計數器支持。硬件計數器以固定的頻率遞減，計數到0時(shí)，觸發(fā)時(shí)鐘中斷。這個(gè)特定的周期性的中斷稱(chēng)為“時(shí)鐘節拍”。每當有時(shí)鐘節拍到來(lái)時(shí)，系統在保存現場(chǎng)和中斷嵌套計數加1后都會(huì )跳到時(shí)鐘節拍函數OSTimTick()中，進(jìn)行軟件計數器加1和遍歷任務(wù)控制塊，以判斷任務(wù)延時(shí)是否到時(shí)。
μC／OS-II中并未在 OSTim Tick()中進(jìn)行定時(shí)器到時(shí)判斷與處理，而是創(chuàng )建了一個(gè)高于應用程序中所有其他任務(wù)優(yōu)先級的定時(shí)器管理任務(wù)OSTmr_Task()，在這個(gè)任務(wù)中進(jìn)行定時(shí)器的到時(shí)判斷和處理。時(shí)鐘節拍函數通過(guò)信號量給這個(gè)高優(yōu)先級任務(wù)發(fā)信號。這種方法縮短了中斷服務(wù)程序的執行時(shí)間，但也使得定時(shí)器到時(shí)處理函數的響應受到中斷退出時(shí)恢復現場(chǎng)和任務(wù)切換的影響。軟件定時(shí)器功能實(shí)現代碼存放在tmr．c文件中，移植時(shí)需只需在os_cfg．h文件中使能定時(shí)器和設定定時(shí)器的相關(guān)參數。

2 μC／OS-II的軟件定時(shí)器算法分析
μC／OS-II中軟件定時(shí)器的實(shí)現方法是，將定時(shí)器按定時(shí)時(shí)間分組，使得每次時(shí)鐘節拍到來(lái)時(shí)只對部分定時(shí)器進(jìn)行比較操作，縮短了每次處理的時(shí)間。但這就需要動(dòng)態(tài)地維護一個(gè)定時(shí)器組。定時(shí)器組的維護只是在每次定時(shí)器到時(shí)時(shí)才發(fā)生，而且定時(shí)器從組中移除和再插入操作不需要排序。這是一種比較高效的算法，減少了維護所需的操作時(shí)間。
2．1 定時(shí)器管理所需的數據結構
一旦定時(shí)器被建立，一個(gè)定時(shí)器控制塊(OS_TMR)就被賦值了。定時(shí)器控制塊是定時(shí)器管理的基本單元，包含定時(shí)器的名稱(chēng)、定時(shí)時(shí)間、在鏈表中的位置、使用狀態(tài)、使用方式，以及到時(shí)回調函數及其參數等基本信息。
在μC／OS-II軟件定時(shí)器中實(shí)現了3類(lèi)鏈表的維護：

OSTmrTbl[OS_TMR_CFG_MAX]：以數組的形式靜態(tài)分配定時(shí)器控制塊所需的RAM空間，并存儲所有已建立的定時(shí)器控制塊。
OSTmrFreeLiSt：為空閑定時(shí)器控制塊鏈表頭指針?？臻e態(tài)的定時(shí)器控制塊(OS_TMR)中，OSTmrnext和OSTmrPrev兩個(gè)指針?lè )謩e指向空閑控制塊的前一個(gè)和后一個(gè)，組織了空閑控制塊雙向鏈表。建立定時(shí)器時(shí)，從這個(gè)鏈表中搜索空閑定時(shí)器控制塊。
OSTmrWheelTbl[OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE]：該數組的每個(gè)元素都是已開(kāi)啟定時(shí)器的一個(gè)分組，元素中記錄了指向該分組中第一個(gè)定時(shí)器控制塊的指針，以及定時(shí)器控制塊的個(gè)數。運行態(tài)的定時(shí)器控制塊(OS_TMR)中，OSTmrnext和OSTmrPrev兩個(gè)指針同樣也組織了所在分組中定時(shí)器控制塊的雙向鏈表。定時(shí)器管理所需的數據結構示意圖如圖1所示。

2．2 軟件定時(shí)器實(shí)現原理
宏OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE定義了OSTmr-WheelTbl[]數組的大小，同時(shí)這個(gè)值也是定時(shí)器分組的依據。按照定時(shí)器到時(shí)值與OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE相除的余數進(jìn)行分組：不同余數的定時(shí)器放在不同分組中；相同余數的定時(shí)器處在同一組中，由雙向鏈表連接。這樣，余數值為0～OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE-1的不同定時(shí)器控制塊，正好分別對應了數組元素OSTmr-WheelTbl[0]～OSTmrWheelTbl[OS_TMR_CFGWHEEL_SIZE-1]的不同分組。每次時(shí)鐘節拍到來(lái)時(shí)，時(shí)鐘數OSTmrTime值加1，然后也進(jìn)行求余操作，只有余數相同的那組定時(shí)器才有可能到時(shí)，所以只對該組定時(shí)器進(jìn)行判斷。這種方法比循環(huán)判斷所有定時(shí)器更高效。隨著(zhù)時(shí)鐘數的累加，處理的分組也由0～OS_TMR_CFG_WHE EL_SIZE-1循環(huán)。
信號量喚醒定時(shí)器管理任務(wù)，計算出當前所要處理的分組后，程序遍歷該分組中的所有控制塊，將當前OSTmr-Time值與定時(shí)器控制塊中的到時(shí)值相比較。若相等(即到時(shí))，則調用該定時(shí)器到時(shí)回調函數；若不相等，則判斷該組中下一個(gè)定時(shí)器控制塊。如此操作，直到該分組鏈表的結尾。定時(shí)器管理任務(wù)的流程如圖2所示。OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE的取值推薦為2的N次方，以便采用移位操作計算余數，縮短處理時(shí)間。

2．3 定時(shí)器移除和插入操作
定時(shí)器的到時(shí)處理函數返回后，都要進(jìn)行該定時(shí)器控制塊在鏈表中的移除和再插入操作。插入前需要重新計算定時(shí)器下次到時(shí)時(shí)所處的分組。計算公式如下：
定時(shí)器下次到時(shí)的OSTmrTime值=定時(shí)器定時(shí)值+當前OSTmrTime值
新的分組=定時(shí)器下次到時(shí)的OSTmrTime值％OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE

3 定時(shí)器精度與抖動(dòng)
在μC／OS-II操作系統中，與定時(shí)相關(guān)的功能均基于系統的時(shí)鐘節拍。系統每秒的時(shí)鐘節拍數決定了這個(gè)系統能分辨的最小時(shí)間，定時(shí)值只能為最小時(shí)間的倍數。每秒的時(shí)鐘節拍數由os_cfg．h．文件中的宏OS_TICKS_PER_SEC定義。對于不同的應用，該時(shí)鐘節拍一般在10～100次／s的范圍內選取。其對應的時(shí)鐘中斷的時(shí)間間隔為100～10 ms，即時(shí)間的最小分辨單位為10 ms。處理器處理能力越高，每秒的時(shí)鐘節拍數也相應地越大。下面的數據測試中使用了ARM9處理器。最低運行頻率為250 Hz時(shí)，時(shí)鐘節拍設為200次／s，可進(jìn)行正常的多任務(wù)調度。該測試環(huán)境下，最小分辨時(shí)間為5 ms。
抖動(dòng)是指定時(shí)器回調函數開(kāi)始執行的時(shí)間與規定的時(shí)間相比，或提前或推后的現象。在定時(shí)器中抖動(dòng)總是存在的。下面主要分析2種抖動(dòng)情況及其對定時(shí)精度的影響。第1種抖動(dòng)情況如圖3所示。

T1：CPU響應時(shí)鐘中斷，搜索中斷號，保存中斷現場(chǎng)并跳到時(shí)鐘中斷處理程序OSTimTick的時(shí)間。
T2：OSTimTick()函數的執行時(shí)間。該函數中對任務(wù)延時(shí)是否到期進(jìn)行了判斷。
T3：恢復現場(chǎng)，退出中斷并進(jìn)行任務(wù)上下文切換的時(shí)間。
T4：定時(shí)器管理任務(wù)OSTmr_Task()判斷定時(shí)器是否到時(shí)的時(shí)間。
T4之后：定時(shí)器到時(shí)回調函數開(kāi)始執行。