μC/OS-II是由Jean Labrosse編寫的具有高度可移植性且源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，可用于8 bit、16 bit、32 bit嵌入式微處理器或DSP中。μC/OS-II可以管理64個任務(wù)，各任務(wù)有自己單獨的棧，采用基于優(yōu)先級的可搶占式PBP(Priority Based Preemptive)調(diào)度策略，絕大多數(shù)服務(wù)的執(zhí)行時間具有確定性μC/OS-II已被成功地應(yīng)用于各種系統(tǒng)，在眾多領(lǐng)域中，多種基于μC/OS-II設(shè)計的產(chǎn)品已經(jīng)證明了μC/OS-II內(nèi)核的穩(wěn)定性，其安全性和穩(wěn)定性已通過美國FAA認證。
    μC/OS-II操作系統(tǒng)同時也是可剝奪型內(nèi)核，以保證最重要的進程(通常是優(yōu)先級最高的進程)能夠及時得到運行。但是如果用傳統(tǒng)的信號量等機制對共享資源進行互斥操作，在某些時間里會出現(xiàn)高優(yōu)先級進程被低優(yōu)先級進程堵塞的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。本文討論優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的原因，并給出2種抑制優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的具體方法。
1 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象
    使用實時內(nèi)核，優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題是實時系統(tǒng)中出現(xiàn)最多的問題。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生在一個高優(yōu)先級的任務(wù)被迫等待一段不確定時間的過程中[1]。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象示意圖如圖1。

    圖1中，空白框為任務(wù)正常運行過程；陰影框為任務(wù)取得信號量后的運行過程。在圖中3個任務(wù)優(yōu)先級的高低為T1>T2>T3，T1和T3在運行過程中都需要使用同一資源，T2不需要使用該資源。當(dāng)T3先占用該資源，T1任務(wù)需要等待，直到T3任務(wù)釋放占用的共享資源。由于T2的優(yōu)先級比T3高，所以剝奪了T3的CPU使用權(quán)，使得T3釋放信號量的時間向后拖延，所以T1的運行情況更加惡化，T1取得信號量的時間隨之推遲。這樣，原本優(yōu)先級最高的T1任務(wù)，在經(jīng)過以上過程后，優(yōu)先級反而降到了最低。這時，系統(tǒng)中就發(fā)生了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
    優(yōu)先級反轉(zhuǎn)原因可歸納為：高優(yōu)先級的任務(wù)由于要等待被低優(yōu)先級任務(wù)占有的臨界資源而被中優(yōu)先級任務(wù)阻塞，而此時具有中優(yōu)先級的任務(wù)搶占了低優(yōu)先級任務(wù)的CPU時間，導(dǎo)致具有中優(yōu)先級的任務(wù)先于高優(yōu)先級任務(wù)而執(zhí)行。
2 優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的解決方案
    優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的解決辦法有優(yōu)先級置頂和優(yōu)先級繼承2種[2]。
    采用優(yōu)先級置頂?shù)姆桨?，首先在?chuàng)建互斥信號量時就應(yīng)同時設(shè)置一個相應(yīng)的置頂優(yōu)先級，當(dāng)首先申請到該資源的任務(wù)a未釋放而又有一個更高優(yōu)先級的任務(wù)b試圖申請時，內(nèi)核會將任務(wù)a的優(yōu)先級提升到置頂優(yōu)先級，該置頂優(yōu)先級高于任何可能申請該資源任務(wù)的高優(yōu)先級。優(yōu)先級置頂?shù)囊饬x在于使占有資源的低優(yōu)先級任務(wù)盡快完成，讓高優(yōu)先級任務(wù)的等待不至過長。
    而優(yōu)先級繼承的思想是：在出現(xiàn)上述情況時，提高低優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級使其與高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級等同。而μC/OS-II卻不支持這種方法[3]，需要通過修改μC/OS-II內(nèi)核來實現(xiàn)優(yōu)先級繼承。
2.1 優(yōu)先級置頂方案
    要在μC/OS-II實現(xiàn)優(yōu)先級置頂[4]，需要用到互斥信號量(Mutex)。
    互斥型信號量的創(chuàng)建是由函數(shù)OSMutexCreate( )完成的，它首先檢查PCP的優(yōu)先級數(shù)值是否己經(jīng)被其他任務(wù)使用，如果還沒有使用就占用這個優(yōu)先級。然后得到一個新的事件控制塊ECB，OSMutexCreate( )置mutex的值為有效，同時將PCP保存起來。
    OSMutexPend( )函數(shù)在獲取互斥信號量Mutex時，如果Mutex可用，并且占有信號量任務(wù)的優(yōu)先級不是最高，則提升此任務(wù)的優(yōu)先級置PIP，即置頂優(yōu)先級，使它盡快執(zhí)行并退出臨界區(qū)從而釋放Mutex。釋放信號量函數(shù)OSMutexPost( )則是將當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級恢復(fù)原值，并檢查是否有任務(wù)仍在申請該資源。
    利用優(yōu)先級置頂解決前面提到的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的過程如圖2所示。

    以開始系統(tǒng)初始化，直到T1任務(wù)開始請求信號量的時刻，系統(tǒng)運行情況和應(yīng)用普通信號量時的情況是一致的。t2時刻，T1任務(wù)開始啟動，請求信號量，此時系統(tǒng)得知T1任務(wù)所需的信號量正在被T3任務(wù)所占據(jù)，故提高T3任務(wù)的優(yōu)先級，使之高于請求該信號量的所有任務(wù)的優(yōu)先級；t3時刻，T1任務(wù)由于得不到信號量而被掛起，此時由于T3任務(wù)的優(yōu)先級高于T1和T2任務(wù)，所以系統(tǒng)讓T3任務(wù)先完成，從而釋放信號量。當(dāng)T3任務(wù)釋放信號量的時候，系統(tǒng)得知T3任務(wù)的優(yōu)先級是被暫時提高的，所以恢復(fù)T3任務(wù)的優(yōu)先級，此時T1任務(wù)可以請求并得到信號量；t4時刻，T1任務(wù)由于得到信號量而開始運行；t5時刻，T1任務(wù)運行完畢，由系統(tǒng)切換任務(wù)，使T2任務(wù)開始運行。在一定程度上抑制了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。在μC/OS-II系統(tǒng)中建立如上所述的3個任務(wù)，作用時分別輸出格式為“自己的任務(wù)名稱is running”的字符串。使用了互斥信號量后的實驗結(jié)果如圖3所示。

2.2 優(yōu)先級繼承方案
    在μC/OS-II中，由于不同的任務(wù)不能對應(yīng)同一個優(yōu)先級，所以不支持上述方法。不過，可以通過修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核，使之成為可能，從而用優(yōu)先級繼承的方案解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這里采用類似于時間片輪番調(diào)度法的方案，在同一優(yōu)先級上對不同任務(wù)進行調(diào)度。
    這種方法給處于同一優(yōu)先級的不同任務(wù)都分配一個時間片，當(dāng)內(nèi)核運行到某一任務(wù)時，對同優(yōu)先級且處于就緒態(tài)的任務(wù)依次進行調(diào)度，即當(dāng)就緒態(tài)中先到的任務(wù)用完自己的時間片后，CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)讓給就緒態(tài)中后一任務(wù)。該任務(wù)用完自己的時間片后，CPU控制權(quán)又轉(zhuǎn)讓給后一個就緒態(tài)任務(wù)。當(dāng)就緒態(tài)的每一個任務(wù)都被調(diào)度一次之后將重新為它們分配時間片，然后又開始新周期的調(diào)度。在調(diào)度過程中如果有一個比當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(wù)由其他態(tài)變成了就緒態(tài)（被創(chuàng)建或獲取了一個信號量等等），當(dāng)前任務(wù)的CPU控制權(quán)將被剝奪；空閑任務(wù)仍然是等到其他任務(wù)都退出就緒態(tài)才獲得CPU使用權(quán)。
    這種方法的優(yōu)點不僅體現(xiàn)在可以讓同一優(yōu)先級對應(yīng)不同的任務(wù)，從而進行優(yōu)先級繼承，還體現(xiàn)在可以增加操作系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)的最大數(shù)目，這使應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)更加靈活。因為在不允許一個優(yōu)先級對應(yīng)不同任務(wù)的μC/OS-II中，用戶能夠自己創(chuàng)建的任務(wù)數(shù)目最多為56個。
    在μC/OS-II中，實現(xiàn)優(yōu)先級繼承方案應(yīng)該首先在任務(wù)控制塊（TCB）的結(jié)構(gòu)體中添加構(gòu)成雙向鏈表的前驅(qū)節(jié)點指針(變量名為OSMYnext)、后繼結(jié)點指針(變量名為OSMYprev)和2個用于指示時間的變量(OSMYtime和OSMYtimeremain)。指針的作用是用來查找同一優(yōu)先級的不同任務(wù)，便于添加新任務(wù)和刪除已經(jīng)釋放了信號量的任務(wù)。在沒有其他任務(wù)和自己處于同一優(yōu)先級的狀態(tài)下，鏈表的前后指針均指向自己。變量OSMYtime的作用表示分給該任務(wù)的時間片長度，OSMYtimeremain表示當(dāng)前時間片剩余時間。
    由于當(dāng)前任務(wù)的時間片使用完時，就會被從就緒表OSRdyGrp以及OSRdyTbl[ ]中清除，這樣，正常的調(diào)度將被打亂，所以還需增加保存臨時OSRdyGrp和OSRdyTbl[ ]的變量OSTempGrp和OSTempTbl[ ]。由于在創(chuàng)建任務(wù)時μC/OS-II會比較該任務(wù)和已建立的任務(wù)的優(yōu)先級是否相同，所以還需把任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)中相應(yīng)代碼進行屏蔽。
    時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick( )在時間片調(diào)度過程中起到了修改時間片計數(shù)器的作用，每一次時鐘節(jié)拍的到來都會引起時間片的減少。在OSTimeTick( )函數(shù)中，主要完成以下工作：首先檢查同優(yōu)先級的雙向鏈表指針是否指向自己。如果指向自己，則說明在這一優(yōu)先級上，只有自己一個任務(wù)。如果指向其他的任務(wù)，則要通過遞減正在運行的任務(wù)的時間片來確定分給該任務(wù)的時間片是否用完。
    如果時間片沒有用完，則執(zhí)行OS_Sched()函數(shù)，讓內(nèi)核進行調(diào)度；如果時間片已經(jīng)用完，則讓時間片重新賦值，然后同樣進行調(diào)度，在沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)處于就緒態(tài)時，系統(tǒng)將運行鏈表所指示的下一個任務(wù)。其主要步驟的流程圖如圖4所示。

    經(jīng)過以上步驟，就可以在μC/OS-II系統(tǒng)中基本實現(xiàn)時間片輪番調(diào)度，不過要想解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的問題，還需要做以下工作。
    當(dāng)一個任務(wù)進入等待互斥信號量OSMutexPend( )函數(shù)時，首先判斷當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級是否高于已經(jīng)得到并且還沒釋放該資源的任務(wù)優(yōu)先級。如果當(dāng)前的任務(wù)優(yōu)先級高，則要將得到該資源的任務(wù)優(yōu)先級提到當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級水平，并且把當(dāng)前任務(wù)加到自己的雙向鏈表中，再執(zhí)行一次內(nèi)核調(diào)度。
    當(dāng)任務(wù)執(zhí)行OSMutexPost( )釋放互斥信號量時，如果在其擁有信號量的過程中被提升過優(yōu)先級，則將恢復(fù)之前的優(yōu)先級。然后查看是否還有任務(wù)在等待該信號量，準備下一次調(diào)度。
    用優(yōu)先級繼承的方法測試，同樣選取T1、T2、T3 3個任務(wù)，進行同優(yōu)先級置頂方案相同的實驗，得到如圖5所示的結(jié)果。
    從圖5可以看出，用時間片解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的效果與優(yōu)先級置頂大致相同，區(qū)別僅在于當(dāng)T3任務(wù)取得資源運行時，時間片用完后，T1任務(wù)又開始申請該資源，而T3并未放棄，所以出現(xiàn)如圖5的結(jié)果。如果T3的時間片設(shè)置過小，這一過程就將頻繁發(fā)生，從而降低了效率。所以如果系統(tǒng)當(dāng)前的任務(wù)集合相對簡單，則在發(fā)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)時，把低優(yōu)先級任務(wù)的時間片調(diào)大一些為好。

    運用時間片輪番調(diào)度法，解決了在μC/OS-II系統(tǒng)中實現(xiàn)優(yōu)先級繼承的方案，在一定程度上抑制了優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的實時性，還增加了系統(tǒng)同時運行任務(wù)的最大數(shù)目，提高了系統(tǒng)的運行效率。
    優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是任何一個多任務(wù)實時操作系統(tǒng)都無法避免的問題。本文分析了該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，主要討論了μC/OS-II中運用mutex和時間片輪番調(diào)度解決該問題的方法并對其可行性進行了驗證。相對優(yōu)先級繼承和優(yōu)先級置頂策略，在可能出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的情況下，動態(tài)地改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級能夠保證高優(yōu)先級任務(wù)的執(zhí)行，有效提高了系統(tǒng)的實時性。
參考文獻
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