μC/OS-II中縮短中斷關(guān)閉時(shí)間的方法

　　引 言

　　在實(shí)時(shí)操作系統中，由于是多任務(wù)的并發(fā)運行，所以在進(jìn)入一些臨界區時(shí)為了保證多任務(wù)的正常運行要關(guān)中斷。而最大關(guān)中斷時(shí)間是衡量一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統性能的重要指標，因為外部的輸入一般都是通過(guò)中斷方式來(lái)通知系統的，系統如果關(guān)中斷時(shí)間長(cháng)，必然不能及時(shí)接收中斷，對中斷的及時(shí)處理就更談不上。

　　更重要的是，有些應用場(chǎng)合對關(guān)中斷的時(shí)間有非常嚴格的要求。例如，在電力系統微機繼電保護裝置中，對電流A/D采樣時(shí)，為了保障對采樣值的正確處理，定時(shí)中斷的每一個(gè)周期時(shí)間都必須及時(shí)采樣。試想，如果定時(shí)器設置的周期時(shí)間到，定時(shí)器中斷產(chǎn)生，但恰恰這時(shí)系統處于關(guān)中斷時(shí)間，系統就不能及時(shí)進(jìn)行采樣;而當關(guān)中斷時(shí)間過(guò)長(cháng)，超過(guò)一定的值時(shí)，系統再來(lái)進(jìn)行采樣，依據此采樣值的計算結果就會(huì )出錯。所以，在這樣的場(chǎng)合中，一種實(shí)時(shí)操作系統的最大關(guān)中斷時(shí)間就成為該種實(shí)時(shí)操作系統能否成功運用的最關(guān)鍵的因素。

　　筆者將以μC/OS-II實(shí)時(shí)內核為例，通過(guò)對μC/OS-II的改進(jìn)，向讀者描述一種縮短實(shí)時(shí)操作系統中斷關(guān)閉時(shí)間的方法。之所以選擇μC/OS-II，一是因為讀者容易獲得相關(guān)代碼，國內很多讀者也對μC/OS-II有一定程度

　　的了解;二是因為其自身結構簡(jiǎn)單，適合運用于低檔嵌入式處理器，關(guān)中斷時(shí)間的問(wèn)題更加突出。低檔嵌入式處理器的處理速度慢，在關(guān)中斷時(shí)間里處理相同的軟件代碼，花費的時(shí)間更長(cháng)，相對地延長(cháng)了關(guān)中斷時(shí)間，這時(shí)盡量從軟件著(zhù)手解決關(guān)中斷時(shí)間的問(wèn)題。

　　1 系統狀態(tài)標志法概述

　　μC/OS-II中在進(jìn)入臨界區之前為什么要關(guān)閉中斷?通過(guò)相關(guān)資料[1]的介紹和對μC/OS-II源代碼的理解，我們知道在μC/OS-II中一旦不關(guān)中斷就進(jìn)入臨界區。當某一任務(wù)進(jìn)入臨界區時(shí)，若恰好發(fā)生中斷，那么這時(shí)有可能引起兩種對臨界區操作的沖突：①在中斷服務(wù)程序中要操作同一臨界區;②因為中斷的產(chǎn)生而引起任務(wù)的轉換，在新的任務(wù)中要操作同一臨界區。所以μC/OS-II中在進(jìn)入臨界區前要關(guān)閉中斷。

　　針對μC/OS-II關(guān)中斷機制的分析，考慮用一種系統狀態(tài)標志法來(lái)解決這樣的臨界沖突。在μC/OS-II增加一個(gè)全局布爾變量來(lái)表示系統的狀態(tài)，稱(chēng)為"系統狀態(tài)標志"。

　　對于μC/OS-II中所有可以在中斷中出現又要對臨界區操作的函數，可以在進(jìn)入臨界區之前先查詢(xún)系統狀態(tài)標志。如果目前系統沒(méi)有進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，則首先將該標志置位，表示系統進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，然后該函數就可以操作臨界區;而如果發(fā)現系統已進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，則將該函數對臨界區操作的部分單獨形成一個(gè)函數，放到一個(gè)系統循環(huán)函數數組里，等待系統任務(wù)調度時(shí)執行。

　　對于μC/OS-II中所有不可能在中斷程序中出現而又要對臨界區操作的函數，因為函數不在中斷中出現，所以函數開(kāi)始時(shí)系統狀態(tài)標志肯定不會(huì )在臨界操作狀態(tài)，因此可在函數操作臨界區時(shí)直接將系統狀態(tài)標志置位，表示系統進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，然后即可進(jìn)行臨界區的操作。

　　系統狀態(tài)標志的復位在任務(wù)調度函數中執行。當然對系統狀態(tài)標志的設置是要在關(guān)中斷的條件下執行的，這應該算是系統新的一個(gè)臨界區。

　　2 該方法的具體實(shí)現

　　下面以對μC/OS-II v2.61代碼的改進(jìn)為例，具體講解該方法的具體實(shí)現。

　　2.1 任務(wù)調度函數OS_Sched的修改

　　修改后的任務(wù)調度函數OS_Sched的偽代碼如下：

　　因為在任務(wù)調度函數OS_Sched中要執行循環(huán)函數數組里的函數，同時(shí)還要對系統狀態(tài)標志復位，退出系統臨界操作狀態(tài)，所以修改過(guò)的函數在遇到以下3種情況--該函數是在中斷里調用時(shí)、在任務(wù)調度鎖定時(shí)、當前任務(wù)就是最高優(yōu)先級任務(wù)時(shí)，都將執行系統循環(huán)函數數組里的函數，并將系統狀態(tài)標志復位，而原任務(wù)調度函數在遇到以上3種情況時(shí)是直接返回的。

　　2.2 增加任務(wù)重調度函數OS_Resched

　　任務(wù)重調度函數OS_Resched的偽代碼如下：

　　任務(wù)重調度函數在以下兩處執行：

　　(1) 當μC/OS-II將當前任務(wù)控制塊壓棧，而還沒(méi)有將最高優(yōu)先級任務(wù)的控制塊彈出棧時(shí)執行，因為這時(shí)在系統循環(huán)函數數組里有可能還有未執行的函數，這些函數的執行有可能導致另外一個(gè)更高優(yōu)先級任務(wù)的就緒。

　　(2) 在中斷服務(wù)函數的末尾執行。如果μC/OS-II中斷返回函數返回的是一個(gè)真值，則表示需要執行重調度函數，這時(shí)就要執行重調度函數。

　　2.3 中斷返回函數OSIntExit的修改

　　中斷返回函數OSIntExit的偽代碼如下：

　　原函數的返回是void，而改動(dòng)后的函數返回一個(gè)布爾量，用來(lái)表示下一步是要正常中斷返回(返回布爾假值時(shí))，還是要調用任務(wù)重調度函數(返回布爾真值時(shí));同時(shí)，改動(dòng)后還增加對系統狀態(tài)標志的查詢(xún)，如果發(fā)現系統在臨界操作狀態(tài)，則直接返回布爾假值。所以在中斷服務(wù)程序的最后不是象原來(lái)那樣簡(jiǎn)單的調用，而是調用后根據返回值作相應的處理。

　　2.4 信號量發(fā)送函數OSSemPost的修改

　　這里將以信號量發(fā)送函數OSSemPost為例來(lái)描述對可在中斷中調用而又會(huì )對臨界區操作的函數的改進(jìn)。對于μC/OS-II中的其他函數，改進(jìn)的方法大致相同。

　　信號量發(fā)送函數OSSemPost的偽代碼如下：

　　在這里，改動(dòng)后的函數將先判斷系統狀態(tài)標志，如果系統在臨界區操作狀態(tài)，則將臨界操作作為另一個(gè)函數放入全局函數循環(huán)數組，等待在任務(wù)調度時(shí)執行，如果不在臨界區操作狀態(tài)，則關(guān)中斷后將系統狀態(tài)標志置位，然后開(kāi)中斷進(jìn)行原函數的那些臨界操作和任務(wù)調度。

　　2.5 信號量等待函數OSSemPend的修改

　　同理，這里以信號量等待函數OSSemPend為例來(lái)描述對不能在中斷中調用而又會(huì )對臨界區操作的函數的改進(jìn)。

　　信號量等待函數OSSemPend的偽代碼如下：

　　在這里，改動(dòng)后的函數先將系統狀態(tài)標志置位，然后進(jìn)行原來(lái)函數的臨界區操作。需要說(shuō)明的是，對于函數因為等待信號量時(shí)間到、還未獲取信號量而返回的情況的處理機制，改動(dòng)后的函

　　數與原函數不同，改動(dòng)后的函數將OS_EventTO函數放到時(shí)間節拍函數OSTimeTick中執行，并將OS_EventTO函數的輸入參數由原來(lái)的事件pevent指針，改為任務(wù)控制塊指針ptcb，因為在函數OSTimeTick中是按照任務(wù)控制塊指針操作的。

　　結語(yǔ)

　　上述方法已經(jīng)在筆者的一個(gè)電力微機繼電保護項目中成功運用，該方面的實(shí)現，提高了μC/OS-II的性能，擴大了μC/OS-II的應用范圍，使得單邊及工程師能更好的利用μC/OS-II提高嵌入式軟件編程水平。特別要說(shuō)明的是，雖然筆者是以μC/OS-II為例來(lái)介紹的，但該方法的原理可以運用到其他實(shí)時(shí)操作系統上，筆者正在將該方法在實(shí)時(shí)操作系統RTEMS上實(shí)現。從這個(gè)意義上講，該方法的提出也對那些致力于編寫(xiě)自己的實(shí)時(shí)操作系統的嵌入式軟件工程師具有借鑒意義。