μC/OS-II軟件定時(shí)器管理算法分析及改進(jìn)

　　軟件定時(shí)器是一種軟件措施，通過(guò)它可以使一項特定的任務(wù)在給定的時(shí)間段后被執行。軟件定時(shí)器廣泛地應用于內核設計和應用程序設計中，例如，一個(gè)進(jìn)程使用軟件定時(shí)器等待其他的進(jìn)程完成特定的動(dòng)作,以使任務(wù)間的操作同步等，因此，對軟件定時(shí)器的高效實(shí)現對提升系統的響應效率是至關(guān)重要的。

　　作為一種基礎的軟件措施，μC/OS-II[1]的 V2.86版本中增加了對軟件定時(shí)器的支持。使用μC/OS-II提供的軟件定時(shí)器，應用程序可以方便地完成特定的定時(shí)任務(wù)。本文對μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現機制進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，然后提出了對μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現進(jìn)行改進(jìn)的方法。

2、μC/OS-II軟件定時(shí)器的實(shí)現機制及算法分析

　　2.1 μC/OS-II軟件定時(shí)器的核心數據結構

　　 μC/OS-II實(shí)現軟件定時(shí)器的核心數據結構是 OS_TMR，其定義如下：

　　typedef struct os_tmr {

　　INT8U OSTmrType; /*應該設置為OS_TMR_TYPE*/

　　OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定時(shí)間到達時(shí)要執行的回調函數*/

　　void *OSTmrCallbackArg; /*傳遞給回調函數的參數*/

　　void *OSTmrNext; /*軟件定時(shí)器鏈表管理指針*/

　　void *OSTmrPrev;

　　INT32U OSTmrMatch; /*當OSTmrTime == OSTmrMatch 時(shí)表示定時(shí)器時(shí)間到*/

　　INT32U OSTmrDly; /*對于周期性定時(shí)器，再次啟動(dòng)定時(shí)器前的延時(shí)時(shí)間*/

　　INT32U OSTmrPeriod; /*對于周期性定時(shí)器，時(shí)鐘周期的長(cháng)度*/

　　INT8U OSTmrOpt; /*選項 (如 OS_TMR_OPT_xxx 等) */

　　INT8U OSTmrState; /*定時(shí)器的狀態(tài)*/

　　} OS_TMR;

　　每個(gè) OS_TMR結構的實(shí)例定義了一個(gè)軟件定時(shí)器，多個(gè)軟件定時(shí)器通過(guò)結構中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev構成一個(gè)定時(shí)器雙向鏈表。

　　為了提高對軟件定時(shí)器的管理效率，μC/OS-II引入了“定時(shí)器輪”數據結構，所謂定時(shí)器輪，是將定時(shí)器實(shí)例中的 OSTmrMatch域的值參照某一個(gè)預先設計的數（稱(chēng)為輪數）進(jìn)行求余運算，并根據求余結果將定時(shí)器進(jìn)行分組以改善對到期定時(shí)器的命中率。定時(shí)器輪數缺省配置如下:

　　typedef struct os_tmr_wheel {

　　OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定時(shí)器的指針*/

　　INT16U OSTmrEntries; /*該定時(shí)器輪中的定時(shí)器項數*/

　　} OS_TMR_WHEEL;

　　缺省配置下，μC/OS-II 定義的輪數為8，因此，μC/OS-II 的定時(shí)器輪為如下的一個(gè)數組：

　　OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl[8];

　　例如，在某一個(gè)特定的時(shí)刻,此處假設時(shí)刻5，系統中有定時(shí)時(shí)間為2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的軟件定時(shí)器，那么，這些定時(shí)器將在時(shí)鐘滴答分別為7、9、10、37、166、362時(shí)到期，則此時(shí)系統的定時(shí)器輪的實(shí)例如圖 1所示：

　　2.2 μC/OS-II軟件定時(shí)器的處理算法分析

　　μC/OS-II對定時(shí)器的超時(shí)處理在一個(gè)稱(chēng)為“uC/OS-II Tmr”的任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)是通過(guò)信號量 OSTmrSemSignal來(lái)激活?；谝陨隙x的定時(shí)器輪，μC/OS-II對定時(shí)器的處理算法如下：

　　static void OSTmr_Task (void *p_arg)

　　{

　　for(;;)

　　{

　　等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪(fǎng)問(wèn)權；

　　STmrTime = OSTmrTime+1，并對8 求余后得到對應的定時(shí)器輪項索引index;

　　for OSTmrWheelTbl[index]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do

　　{

　　if (OSTmrTime == ptmr->OSTmrMatch) {

　　執行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調函數；

　　對于單次定時(shí)器，從定時(shí)器輪中刪除該時(shí)鐘；

　　對于周期性定時(shí)器，則重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；

　　}

　　}

　　釋放對OSTmrWheelTbl 的訪(fǎng)問(wèn)權；

　　}

　　}

　　2.3 μC/OS-II的定時(shí)器處理算法的效率分析采用上面的例子，對μC/OS-II的定時(shí)器處理算法效率進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析：在下一次時(shí)鐘滴答，也就是時(shí)鐘滴答 6時(shí)，沒(méi)有定時(shí)器到期，而 for循環(huán)必須對每個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行檢查，類(lèi)似的情況還發(fā)生在自時(shí)鐘到達 10以后的多個(gè)檢查中。根據系統中的定時(shí)器的數量，這種無(wú)謂的檢查將占用大量的 CPU時(shí)間。

3、對μC/OS-II的定時(shí)器管理算法的改進(jìn)

　　3.1 改進(jìn)以后的數據結構設計

　　對μC/OS-II的定時(shí)器管理算法進(jìn)行改進(jìn)的主要目標是：要么不對定時(shí)器進(jìn)行檢查，要檢查則一定有定時(shí)器到期[2]。為了達到這個(gè)設計目標，需要對μC/OS-II的定時(shí)器輪進(jìn)行重新設計。采用同樣的 OS_TMR數據結構和 OS_TMR_WHEEL定時(shí)器輪結構，但是，對定時(shí)器輪的每一個(gè)項的功能進(jìn)行重新規劃：

　?。?）定時(shí)器輪的第 1項到第 7項，即 OSTmrWheelTbl[1]到 OSTmrWheelTbl[7]的定時(shí)器輪，分別表示將在此后的第 1個(gè)時(shí)鐘滴答到第 7個(gè)時(shí)鐘滴答將到期的定時(shí)器項，此時(shí)，每個(gè)定時(shí)器結構的 OSTmrMatch中的值表示需要經(jīng)過(guò)多少個(gè)時(shí)鐘滴答該定時(shí)器項將到期。在同一個(gè)定時(shí)器輪中的多個(gè)定時(shí)器項通過(guò) OSTmrNext和 OSTmrPrev指針構成雙向鏈表。

　?。?）定時(shí)器輪的第 0項，表示將至少需要經(jīng)過(guò) 8個(gè)時(shí)鐘滴答才到期的定時(shí)器，并通過(guò)

　　OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時(shí)器構成雙向鏈表。 針對上面的同一個(gè)例子，按照此規劃形成的新的定時(shí)器輪如圖 2所示：

　　3.2 改進(jìn)的處理算法

　　對定時(shí)器的超時(shí)處理仍然在“uC/OS-II Tmr”任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)還是通過(guò)信號量OSTmrSemSignal來(lái)激活，因此，對于基于該接口調用的應用程序可以不做任何修改即可正常運行?；谛乱巹澋亩〞r(shí)器輪，對定時(shí)器的處理算法如下：

　　static void OSTmr_Task (void *p_arg)

　　{

　　STmrTime = 0；

　　for(;;)

　　{

　　等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪(fǎng)問(wèn)權；

　　STmrTime = OSTmrTime+1；

　　if (OSTmrTime 8)

　　{

　　for OSTmrWheelTbl[OSTmrTime]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do

　　{

　　執行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調函數；

　　對于單次定時(shí)器，從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器；

　　對于周期性定時(shí)器，則重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；

　　}

　　}

　　else // STmrTime == 8

　　{

　　for OSTmrWheelTbl[0]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do

　　{

　　ptmr->OSTmrMatch = ptmr->OSTmrMatch – 8;//已經(jīng)經(jīng)過(guò)了8 個(gè)時(shí)鐘滴答；

　　if (ptmr->OSTmrMatch == 0) //到期定時(shí)值正好是8 的倍數

　　{

　　執行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調函數；

　　對于單次時(shí)鐘，從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器；

　　對于周期性時(shí)鐘重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；

　　continue;

　　}

　　if (ptmr->OSTmrMatch 8) //少于8 個(gè)ticks 將到期的定時(shí)器

　　{

　　根據ptmr->OSTmrMatch 的值將ptmr 插入到相應的OSTmrWheelTbl

　　定時(shí)器輪中；

　　}

　　}

　　STmrTime = 0； //重新計數滴答；

　　}

　　釋放對OSTmrWheelTbl 的訪(fǎng)問(wèn)權；

　　}

　　}

　　3.3改進(jìn)的處理算法的效率分析

　　通過(guò)對改進(jìn)以后的算法進(jìn)行分析可以發(fā)現：在每一個(gè)時(shí)鐘滴答，如果對應的定時(shí)器輪的OSTmrFirst指針不為NULL，則在該時(shí)鐘滴答有到期的定時(shí)器，需要調用對應的回調函數。通過(guò)對定時(shí)器輪進(jìn)行重新規劃，避免了不必要的定時(shí)器到期檢查，從而可節省 CPU時(shí)間，提高了運行效率。

4、結束語(yǔ)

　　針對本文提出的改進(jìn)算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開(kāi)發(fā)板 [3][4]上對改進(jìn)以后的處理算法進(jìn)行了測試，測試中建立了 1000個(gè)軟件定時(shí)器，在其他負載相同的情況下，通過(guò)μC/OS-II的統計任務(wù)對 CPU的使用率進(jìn)行了統計分析，統計發(fā)現 CPU的負載率降低了約9%。

　　本文創(chuàng )新點(diǎn)：對μC/OS-II的定時(shí)器輪進(jìn)行了重新規劃，使得在每個(gè)時(shí)鐘滴答對軟件定時(shí)器進(jìn)行處理時(shí)有效提高了到期定時(shí)器的命中率，進(jìn)而降低了 CPU的負載率。