uC/OS-II Windows下虛擬的問(wèn)題

國內用uC/OS-II的人很多，最近uC/OS-III也開(kāi)源了，實(shí)在是廣大RTOS愛(ài)好者之福。我也曾經(jīng)用uC/OS-II開(kāi)發(fā)過(guò)一些東西。當時(shí)是用uC/OS-II在windows平臺上的模擬。跑了一個(gè)“Hello World!!!”;大致感覺(jué)這種虛擬方式還不錯，能結合Visual C++這樣強悍的工具，或者Linux平臺下的gdb這樣的工具，對uC/OS-II的代碼做單步跟蹤;深入的了解RTOS內核的執行過(guò)程。我覺(jué)得非常的好。然而在我深入了解了RTOS內核，了解了uC/OS-II在windows上的移植后，發(fā)現這種虛擬方式簡(jiǎn)直是害人不淺……

那問(wèn)題究竟在哪呢?首先 RTOS 區別于Windows、Linux、uCLinux這種系統，主要是其調度算法不同。使用的是Rate Monotonic(RM 單調速率)調度算法。這種算法的最大特點(diǎn)是基于優(yōu)先級別的時(shí)間分配，如果有一個(gè)高優(yōu)先級別任務(wù)不放棄對CPU的占有，那么連操作系統的內核也得不到時(shí)間執行。Windows、Linux下是絕對不會(huì )出現這種情況的。即使一個(gè)任務(wù)占了CPU 100%，用戶(hù)的操作只是反應慢了，還沒(méi)到什么都動(dòng)不了的程度。

那uC/OS-II在Windows平臺上的移植，是怎么做得呢?uC/OS-II的任務(wù)采用Windows的線(xiàn)程實(shí)現，使用OSTaskCreate即是創(chuàng )建一個(gè)Windows的線(xiàn)程，入口是用戶(hù)指定的任務(wù)。那們這里就有一個(gè)問(wèn)題，uC/OS-II更核心的OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL是怎么實(shí)現的?利用Windows里的二值信號量實(shí)現的。這個(gè)二值信號量只是用于進(jìn)程內部的，但可以用于同一個(gè)進(jìn)程內部的多個(gè)線(xiàn)程。那么上下文切換沒(méi)有什么實(shí)際性的內容，只是調用Windows的API將高優(yōu)先級的任務(wù)恢復執行(對Windows來(lái)講是一個(gè)線(xiàn)程)，而低優(yōu)先級的任務(wù)掛起。上下文內容Windows會(huì )為RTOS保存。

系統的時(shí)鐘節拍由Windows的多媒體時(shí)鐘提供，OSTickW32這個(gè)函數被當作一個(gè)獨立的線(xiàn)程運行。到時(shí)間了就執行一次OSTickISR()。

DWORD WINAPI OSTickW32( LPVOID lpParameter )

{

OS_INIT_CRITICAL();

while(!OSTerminateTickW32)

{

OSTickISR();

#ifdef WIN_MM_TICK

if( WaitForSingleObject(OSTickEventHandle, 5000) == WAIT_TIMEOUT)

{

#ifdef OS_CPU_TRACE

OS_Printf(Error: MM OSTick Timeout!n);

#endif

}

ResetEvent(OSTickEventHandle);

#else

Sleep(1000/OS_TICKS_PER_SEC);

#endif

}

return 0;

}

任務(wù)調度雖然按照Windows的調度算法，但是通過(guò)定時(shí)執行內核代碼，基本上能保證RMS調度算法的初衷。

雖然Windows下虛擬的任務(wù)基本上滿(mǎn)足RMS調度的規則，然而仔細分析并不是那么回事情。首先，所有的線(xiàn)程優(yōu)先級別對Windows來(lái)講是一樣的。不會(huì )因為uC/OS-II給他個(gè)高優(yōu)先級別，他就能得到更多的執行時(shí)間。如果uC/OS-II整個(gè)所在的虛擬進(jìn)程在一個(gè)重負荷的環(huán)境下運行，不管什么低優(yōu)先級高優(yōu)先級任務(wù)，得到的執行時(shí)間都是不確定的。 再次，uC/OS-II的任務(wù)基于Windows，全局臨界區域也是借用Windows的二值信號量實(shí)現的。通常，我們用全局臨界區域可以鎖住uC/OS-II的調度器和中斷系統。然而，我們不要忘了，uC/OS-II的任務(wù)和調度器鎖住了，并沒(méi)有鎖住Windows的調度器。它還是可以完成線(xiàn)程切換的。絲毫不影響Windows的線(xiàn)程切換。由于windows 的線(xiàn)程切換受uC/OS-II的支配，還好，這種情況不會(huì )出什么問(wèn)題;但是反過(guò)來(lái)，如果禁止Windows的線(xiàn)程切換，并沒(méi)有通知uC/OS-II，那么就完蛋了。uC/OS-II強制Windows切換到某一任務(wù)，造成整個(gè)系統死鎖(抱死)。

這種情況復雜：舉個(gè)例子，A任務(wù)是一個(gè)低優(yōu)先級別的任務(wù)，正在調用一個(gè)Windows的IO函數，此IO是臨界IO，剛剛進(jìn)入這個(gè)IO的臨界區域，還沒(méi)出來(lái)。時(shí)間片到了，uC/OS-II強制Windows切換到處于就緒態(tài)的B任務(wù)，B任務(wù)優(yōu)先級別比A高。很不幸，B也想調用相同的IO函數，也要進(jìn)入相同的臨界區域，那么，我們來(lái)看，B線(xiàn)程得不到鎖，結果B死等A放鎖，這個(gè)是Windows層面的，對于uC/OS-II，它還認為B在執行。而 A任務(wù)因為B任務(wù)在執行，永久的等待，這個(gè)是uC/OS-II層面的，所以uC/OS-II也不會(huì )切換調度器讓B停止執行，讓A執行，以解開(kāi)這個(gè)死鎖。即使該進(jìn)程所有的線(xiàn)程都不執行了，對于Windows來(lái)說(shuō)，也是允許的。對于uC/OS-II來(lái)說(shuō)，它永遠的在執行B任務(wù)，而B(niǎo)任務(wù)在等一個(gè)他永遠也不可能得到的鎖。

調度由Windows核心完成，但IO操作還有一些實(shí)質(zhì)性的操作都必須調用Windows的API完成，如果這些API潛在的影響了Windows的調度，而又沒(méi)有讓uC/OS_II知道，結果就是模擬失敗。并且，這種情況要滿(mǎn)足特定的條件才能發(fā)生，現實(shí)中很不好調試，確定問(wèn)題的位置。但解決的辦法也有，把所有Windows的API，任務(wù)中調用的API當作uC/OS-II的臨界區域，則不會(huì )發(fā)生死鎖。但這會(huì )產(chǎn)生巨大的模擬開(kāi)銷(xiāo)。

相對于這種寄生模擬方式，skyeye、qemu等，更加的優(yōu)越，更接近實(shí)際。雖然他們也有自己的問(wèn)題，但至少，不會(huì )出現以上兩個(gè)問(wèn)題。所以，對于RTOS開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，選擇合理的虛擬方式，對開(kāi)發(fā)有巨大的影響。