嵌入式系統優(yōu)先級反轉問(wèn)題的分析

2004年10月A版

摘要： 本文介紹了嵌入式系統任務(wù)調度優(yōu)先級反轉的一個(gè)實(shí)例。通過(guò)實(shí)例的討論對嵌入式系統優(yōu)先級反轉有一個(gè)更深入的了解，有助于在編程中避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。
關(guān)鍵詞： 嵌入式實(shí)時(shí)系統；VxWorks；多任務(wù)；優(yōu)先級反轉

引言
VxWorks是美國Wind River(風(fēng)河)公司的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，具有良好的可靠性和實(shí)時(shí)性。該系統采用基于優(yōu)先搶占式調度策略，系統為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級，調度程序保證當前運行的是優(yōu)先權最高的任務(wù)。但在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，由于任務(wù)間資源共享，信號量及中斷的引入，往往會(huì )出現高優(yōu)先級任務(wù)被低優(yōu)先級任務(wù)長(cháng)時(shí)間阻塞或阻塞一段不確定時(shí)間的現象，即所謂優(yōu)先級反轉(Priority Inversion)。優(yōu)先級反轉會(huì )造成任務(wù)調度的不確定性，嚴重時(shí)可能導致系統崩潰。本文在參考文獻的基礎上，結合實(shí)際項目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的優(yōu)先級反轉問(wèn)題，對造成優(yōu)先級反轉的原因及其解決方法進(jìn)行了探討。

優(yōu)先級反轉一般性描述
優(yōu)先級反轉發(fā)生在一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)被迫等待一段不確定時(shí)間，圖1中3個(gè)任務(wù)分別為task1、task2和task3，其優(yōu)先級由高到低。從圖1可知，當task3占有由信號量(semaphore)保護的某種共享資源而進(jìn)入臨界區執行時(shí)，task1就緒，由于系統的搶占式調度策略，出現task1搶占task3執行。task1執行一段時(shí)間后也進(jìn)入臨界區，但此時(shí)task3仍占有此臨界資源的信號量，task1被阻塞，等待task3釋放此信號量。在經(jīng)過(guò)這么一段時(shí)間后，task2已處于就緒狀態(tài)，于是系統調度task2執行。如果task3在task2的執行期間一直沒(méi)有能夠被調度執行的話(huà)，那task1和task3將一直等到task2執行完后才能執行，task1更要等到task3釋放它所占有的信號量才能執行；如果這段時(shí)間超出task1的最后期限，task1的調度出現了問(wèn)題，此時(shí)輕則任務(wù)被長(cháng)時(shí)間阻塞，重則造成系統崩潰。
優(yōu)先級反轉原因可歸納為：高優(yōu)先級的任務(wù)task1由于要等待被低優(yōu)先級任務(wù)task3占有的臨界資源而被task2阻塞，而此時(shí)具有中優(yōu)先級的任務(wù)task2搶占了task3的CPU時(shí)間,導致task2先于task1執行。此類(lèi)優(yōu)先級反轉問(wèn)題的解決方法大致有2種：一種被稱(chēng)作優(yōu)先級繼承(inheritance)；另一種被稱(chēng)作優(yōu)先級極限(ceilings)。下面介紹本文所遇到的優(yōu)先級反轉問(wèn)題。

圖1  優(yōu)先級反轉示意圖

優(yōu)先級反轉的實(shí)例
上節對一般意義上的優(yōu)先級反轉現象進(jìn)行了描述，本節涉及的優(yōu)先級反轉則較上述更為復雜，更具有隱蔽性。
本文采用的嵌入式微處理器為SAMSUNG公司的S3C2510, CPU核為arm940T。應項目要求任務(wù)task1和task2中分別進(jìn)行調用微秒級和毫秒級的定時(shí)器功能函數，由于S3C2510處理器有5個(gè)32位定時(shí)器，因此只利用其中的兩個(gè)即可。這里，ms級定時(shí)器實(shí)現的代碼架構如下：
1) 中斷處理函數：
LOCAL void Timer1_Int_Handle(void)
{
*S3C2510_TIC |= S3C2510_TIC_T1;/*清除中斷*/
...
semGive(TelID4_Stop);/*釋放二進(jìn)制信號量*/
...
}
2) 毫秒級定時(shí)函數
void ms_Delay(int ms)
{     
...
semTake(TelID4_Stop，WAIT_FOREVER);
...
}
3) 時(shí)鐘初始化函數
void msTimer_Init()
{
TelID4_Stop=semCreate (SEM_Q_FI FO,SEM_EMPTY);/*初始化二進(jìn)制信號量*/
assert(TelID4_Stop);
...
}
us級定時(shí)器功能實(shí)現的代碼與上面類(lèi)似，這里不再給出相應的代碼。函數調用說(shuō)明：先進(jìn)行初始化，然后任務(wù)可隨意調用定時(shí)功能函數。當某個(gè)任務(wù)調用定時(shí)功能函數時(shí)，該任務(wù)被信號量阻塞，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始進(jìn)行減一計數，當計數器減到0時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，此時(shí)系統會(huì )調用中斷處理函數，在中斷處理函數時(shí)將信號量釋放，此時(shí)信號量變的可用，任務(wù)繼續執行。
當兩個(gè)不同優(yōu)先級任務(wù)task1，task2(設優(yōu)先級分別為93和94)同時(shí)運行，并分別調用us和ms級定時(shí)功能函數時(shí)，優(yōu)先級反轉出現了，task1會(huì )被長(cháng)時(shí)間阻塞。其中，task1和task2的調用如下：
void task1(void)
{
...
FOREVER
{
...
us_Delay();
...
taskDelay(4);
}
void Task2(void)
{
...
FOREVER
{
...
ms_Delay();
...
}
上述兩個(gè)任務(wù)之間資源是獨立的，但兩個(gè)任務(wù)在一起運行時(shí)，高優(yōu)先級任務(wù)task1在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì )被長(cháng)期阻塞。
解決上述問(wèn)題的方法比較簡(jiǎn)單，只要調整task1的任務(wù)優(yōu)先級低于task2，這里選為95，則兩個(gè)任務(wù)可長(cháng)時(shí)間并行運行。
由于加入了中斷和信號量，使系統任務(wù)調度變的復雜，從而導致兩個(gè)原本看似獨立的任務(wù)task1和task2，不能正常并行運行。造成此類(lèi)現象的原因分析極其復雜，可視為是系統應用的一個(gè)盲點(diǎn)，但此類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)總結規律而有效繞開(kāi)。例如在上述問(wèn)題中，若task1調用的定時(shí)函數的定時(shí)時(shí)間小于task2中的定時(shí)時(shí)間，則相應的任務(wù)優(yōu)先級也應設有task1Priority< task2Priority，這樣高優(yōu)先級任務(wù)就不會(huì )被阻塞。

結語(yǔ)
本文結合實(shí)際例子，對VxWorks中優(yōu)先級反轉問(wèn)題進(jìn)行了探討，并對此類(lèi)問(wèn)題的解決方法進(jìn)行了描述。本文的探討將使嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員更深入了解優(yōu)先級反轉問(wèn)題。

參考文獻：
1. 劉輝、孟凡榮、席景科，‘嵌入式實(shí)時(shí)系統的優(yōu)先級反轉問(wèn)題’，單片機嵌入式系統應用，2003.3.
2、黨紀紅、李東明、袁贛南，‘VxWorks實(shí)時(shí)內核調度的研究分析’，應用科技，2003.2.