嵌入式實時操作系統(tǒng)的任務(wù)管理及任務(wù)調(diào)度

1、1、嵌入式實時操作系統(tǒng)簡介   11英文名Embedded Real-time Operation System，簡寫為RTOS。   1.2.1定義：當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的嵌入式操作系統(tǒng)。（注：在工業(yè)控制、軍事設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的響應(yīng)時間有苛刻的要求，這就需要使用實時系統(tǒng)。我們常常說的嵌入式操作系統(tǒng)都是嵌入式實時操作系統(tǒng)。比如C/OS-II、eCOS和Linux。故對嵌入式實時操作系統(tǒng)的理解應(yīng)該建立在對嵌入

2、式系統(tǒng)的理解之上加入對響應(yīng)時間的要求。）   1.2.2 IEEE定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。   1.2.3一般定義：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。   1 . 3分類：VxWorks，uC/OS-，uClinux，eCos，RTXC等。2、嵌入式實時操作系統(tǒng)的任務(wù)管理   21 任務(wù)管理：是嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心和靈魂，決定了操作系統(tǒng)的實時性能。它通常包含優(yōu)先級設(shè)置、多任務(wù)調(diào)度

3、機制和時間確定性等部分。   2.1.1 優(yōu)先級設(shè)置：嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，每個任務(wù)都具有優(yōu)先級，任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級應(yīng)越高。優(yōu)先級的設(shè)置分為靜態(tài)優(yōu)先級和動態(tài)優(yōu)先級兩種。靜態(tài)優(yōu)先級指的是每個任務(wù)在運行前都被賦予一個優(yōu)先級，而且這個優(yōu)先級在系統(tǒng)運行期間是不能改變的；動態(tài)優(yōu)先級則是指每個任務(wù)的優(yōu)先級(特別是應(yīng)用程序的優(yōu)先級)在系統(tǒng)運行時可以動態(tài)地改變。    2.1.2 多任務(wù)調(diào)度機制：任務(wù)調(diào)度主要是協(xié)調(diào)任務(wù)對計算機系統(tǒng)資源的爭奪使用。對系統(tǒng)資源非常匱乏的嵌入式系統(tǒng)來說，任務(wù)調(diào)度尤為重要，它直接影響到系統(tǒng)的實時性能。通常，多任務(wù)調(diào)度機制分為

4、基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。（1）基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度：系統(tǒng)中每個任務(wù)都有一個優(yōu)先級，內(nèi)核總是將CPU分配給處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)就緒隊列中有比當前運行任務(wù)更高的優(yōu)先級任務(wù)，就把當前運行任務(wù)置于就緒隊列中，調(diào)入高優(yōu)先級任務(wù)運行。系統(tǒng)采用優(yōu)先級搶占方式進行調(diào)度，可以保證重要的突發(fā)事件及時得到處理。（2）時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：讓優(yōu)先級相同的處于就緒狀態(tài)的任務(wù)按時間片使用CPU，以防止同優(yōu)先級的某一任務(wù)長時間獨占CPU。在一般情況下，嵌入式實時操作系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級搶占式調(diào)度與時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度機制。   2.1.3 時間的可確定性：嵌入式實時

5、操作系統(tǒng)甬數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間應(yīng)具有可確定性。系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少?；诖颂卣鳎到y(tǒng)完成某個確定任務(wù)的時間是可預(yù)測的。   2 . 2 任務(wù)管理機制：在內(nèi)核的設(shè)計過程中，最先應(yīng)考慮的是任務(wù)的狀態(tài)以及遷移時序，然后根據(jù)此狀態(tài)設(shè)計相應(yīng)的隊列，如就緒隊列、等待隊列等。內(nèi)核時鐘也依賴任務(wù)的狀態(tài)。可以看出，任務(wù)管理實現(xiàn)的核心和基礎(chǔ)是任務(wù)狀態(tài)和遷移時序。   2.2.1任務(wù)狀態(tài)：在多任務(wù)狀態(tài)中，任務(wù)要參與資源的競爭，只有在所需資源得到滿足的情況下才能得到執(zhí)行。然而，任務(wù)擁有的資源情況是不斷變化的，這將導(dǎo)致任務(wù)狀態(tài)也表現(xiàn)出不斷變化的特性。不同

6、的實時內(nèi)核實現(xiàn)方式對狀態(tài)的定義不盡相同，但都包括以下三種基本狀態(tài)：（1）等待：任務(wù)在等待I/O完成或者等待某事件的發(fā)生；（2）就緒：任務(wù)已經(jīng)得到需要運行的資源，并等待獲得處理器資源；（3）執(zhí)行：任務(wù)獲得處理器和其他所有需要的資源，相關(guān)代碼正在被運行。在單處理器系統(tǒng)中，任何時候只有一個任務(wù)處于運行狀態(tài)。如果沒有任何任務(wù)需要運行，那么內(nèi)核會運行一個空閑任務(wù)。任何一個可以執(zhí)行的任務(wù)都必須處于就緒狀態(tài)，實時內(nèi)核會從所有就緒的任務(wù)中，使用合適的調(diào)度策略選擇一個運行。當一個任務(wù)請求I/O操作，或者等待信號量將會處于等待狀態(tài)。   2.2.2任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移：在一定條件下，任務(wù)會在不同的狀態(tài)

7、之間進行轉(zhuǎn)化，稱為任務(wù)狀態(tài)遷移，如圖1所示。                                                

8、圖1 任務(wù)狀態(tài)遷移圖                                         圖2 實際實現(xiàn)的任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖    圖2在描述任務(wù)狀態(tài)遷移的同時，也描述了任

9、務(wù)的生存周期，任務(wù)的生命期從新建態(tài)時開始直到結(jié)束態(tài)時結(jié)束。在給定的時刻，任務(wù)的狀態(tài)一定處在這六種狀態(tài)之一。新建狀態(tài)是指任務(wù)被創(chuàng)建的過程，在這個過程中主要工作有：為任務(wù)分配TCB和?？臻g以及其他資源。當任務(wù)創(chuàng)建完成以后，任務(wù)就具備運行的能力了，與此同時，任務(wù)進入就緒狀態(tài)，并等待調(diào)度器為它分配運行的機會。當任務(wù)得到運行的機會，任務(wù)開始執(zhí)行。處于運行態(tài)的任務(wù)會在任意時刻由運行態(tài)進入休眠態(tài)、就緒態(tài)或結(jié)束狀態(tài)。其中進入休眠態(tài)是任務(wù)的主動過程，這主要是任務(wù)調(diào)用了內(nèi)核提供的休眠函數(shù)，任務(wù)在休眠狀態(tài)，如果沒有其他任務(wù)喚醒它，它將永遠休眠下去直到系統(tǒng)關(guān)閉，這種方式也可用于任務(wù)同步。等待狀態(tài)主要由兩種原因引起，一

10、種是等待某事件的發(fā)生，如等待信號量；第二種為任務(wù)主動等待多少個tick。最后，任務(wù)可以將自己殺死進入結(jié)束態(tài)。                                          圖3 任

11、務(wù)狀態(tài)遷移示意圖    圖3描述了三個任務(wù)狀態(tài)遷移過程。圖中包含三個任務(wù)和一個調(diào)度程序。調(diào)度程序確定下一個需要投入運行的任務(wù)，因此調(diào)度程序本身也占用一定的處理時間。3、嵌入式實時操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度   3. 1 任務(wù)調(diào)度：調(diào)度是內(nèi)核的主要職責之一，調(diào)度的主要任務(wù)就是要決定該輪到哪個任務(wù)運行。多數(shù)實時內(nèi)核采用基于優(yōu)先級調(diào)度的算法?；趦?yōu)先級的調(diào)度算法是指，每個任務(wù)根據(jù)重要程度被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處在就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。然而，究竟何時讓高優(yōu)先級任務(wù)掌握CPU的使用權(quán)，有兩種不同的情況，這取決于內(nèi)核的類型（是可剝奪型的

12、還是可剝奪型內(nèi)核）。當調(diào)度程序決定新的任務(wù)獲得CPU的使用權(quán)時，這時內(nèi)核將執(zhí)行任務(wù)切換。任務(wù)切換過程為：首先保存當前任務(wù)的上下文，即CPU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容可以保存在任務(wù)的自己的棧中，也可以保存在TCB中。然后，將需要運行的任務(wù)的上下文從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始運行。任務(wù)切換過程增加了應(yīng)用程序的額外負荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負荷就越重。   3. 2 調(diào)度算法   3.2.1時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法：當兩個或兩個以上任務(wù)有同樣優(yōu)先級，內(nèi)核允許一個任務(wù)運行事先確定的一段時間，該段時間叫做時間片，然后切換給另一個任務(wù)。內(nèi)核在滿足

13、以下條件時，把CPU控制權(quán)交給下一個就緒態(tài)的任務(wù)：當前任務(wù)運行的時間片到期； 當前任務(wù)在時間片還沒結(jié)束時已經(jīng)完成了。    3.2.2 基于優(yōu)先級的調(diào)度算法：每個任務(wù)都賦予優(yōu)先級。任務(wù)越重要，賦予的優(yōu)先級就越高。優(yōu)先級的分配方式可分為靜態(tài)分配和動態(tài)分配的方式。靜態(tài)優(yōu)先級是指應(yīng)用程序執(zhí)行過程中諸任務(wù)的優(yōu)先級不變。在靜態(tài)優(yōu)先級系統(tǒng)中，各個任務(wù)以及它們的時間約束在程序編譯時是已知的。動態(tài)優(yōu)先級指應(yīng)用程序執(zhí)行過程中，任務(wù)的優(yōu)先級是可變的。    Linux采取的調(diào)度策略結(jié)合了這幾種調(diào)度方案。在Linux系統(tǒng)中，調(diào)度算法最基本的一類就是基于優(yōu)先

14、級的調(diào)度。優(yōu)先級高的任務(wù)先運行，相同優(yōu)先級的任務(wù)按照輪轉(zhuǎn)方式進行調(diào)度。Linux也實現(xiàn)了基于動態(tài)優(yōu)先級的調(diào)度方法。一開始，利用靜態(tài)優(yōu)先級的方法設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級，然而它允許調(diào)度程序根據(jù)需要來提升、降低優(yōu)先級。   3. 3 調(diào)度器實現(xiàn)：在整個任務(wù)管理中，任務(wù)調(diào)度無疑是系統(tǒng)的核心，任務(wù)調(diào)度通常由內(nèi)核中的調(diào)度器實現(xiàn)。調(diào)度器的實現(xiàn)與任務(wù)運行狀態(tài)遷移，任務(wù)隊列有密切的聯(lián)系，可以說任務(wù)運行狀態(tài)遷移和任務(wù)隊列決定了調(diào)度器的實現(xiàn)。調(diào)度器的主要作用是在就緒隊列中選擇優(yōu)先級最高的任務(wù)運行，如果優(yōu)先級最高的任務(wù)不止一個，則選擇隊頭的任務(wù)運行。雖然整個調(diào)度器的功能可以用上面的幾句話概括，但調(diào)度器的

15、實現(xiàn)遠遠沒有那么簡單，主要困難來源下面的原因：確定調(diào)度器運行的時機；中斷處理程序完了后，是執(zhí)行當前任務(wù)，還是馬上調(diào)度；調(diào)度器的性能；調(diào)度中伴隨著任務(wù)上下文的切換，尤其對處理器架構(gòu)有關(guān)的上下文，應(yīng)該設(shè)計良好的接口以便移植。    對于實時系統(tǒng)來說，中斷處理程序執(zhí)行完畢后，應(yīng)該馬上執(zhí)行調(diào)度，這是因為中斷常常伴隨著有新的任務(wù)處于就緒隊列中，在這些任務(wù)中可能會有高優(yōu)先級的任務(wù)就緒，所以在實時內(nèi)核中要求必須支持在中斷后馬上進行任務(wù)調(diào)度。不管是在實時系統(tǒng)，還是在其他系統(tǒng)中，調(diào)度器性能顯得非常重要，常常要求調(diào)度器的時間復(fù)雜度至少應(yīng)該為線性，當然常數(shù)是最好的。對于不同的處理器架構(gòu)

16、，其提供的寄存器，狀態(tài)寄存器都有很大的區(qū)別，調(diào)度器應(yīng)該留出良好的接口給不同的處理器，以便以后方便移植。在實現(xiàn)調(diào)度器時，基本上考慮了上面的幾個基本問題。根據(jù)任務(wù)狀態(tài)遷移、內(nèi)核隊列等方面的內(nèi)容，在byCore中實現(xiàn)了一個叫scheduler( )的調(diào)度程序。在scheduler( )中調(diào)用幾個與硬件相關(guān)的函數(shù)，這幾個函數(shù)主要用于實現(xiàn)任務(wù)硬件上下文的切換，這部分代碼用匯編完成，并且與處理器有關(guān)。圖4描述了scheduler( )的算法流程圖。              &

17、#160;                          圖4 scheduler( )的算法流程圖    該調(diào)度程序的算法非常簡單，首先，在允許調(diào)度的情況下，如果有高優(yōu)先級任務(wù)就緒，則進行任務(wù)切換。任務(wù)切換會發(fā)生在兩種處理器模式下，一種是處理器處于正常的運行態(tài)，另一種發(fā)生在中斷態(tài)中。因此，內(nèi)核使用兩組函數(shù)分別處理這兩種情況

18、。在兩種處理器狀態(tài)下都有“啟動新任務(wù)”和“新舊任務(wù)切換”函數(shù)接口實現(xiàn)最后的任務(wù)切換工作，這兩組函數(shù)與處理器有關(guān)，并由匯編實現(xiàn)?！皢有氯蝿?wù)”的主要功能是將任務(wù)的初始上下文復(fù)制給處理器的各個寄存器，這包括通用寄存器、堆棧指針寄存器、狀態(tài)寄存器和指令指針寄存器等。這些初始值在新任務(wù)創(chuàng)建時被初始化。啟動新任務(wù)發(fā)生的時機有兩種情況，第一種情況是內(nèi)核初始化完畢后，啟動第一個任務(wù)；第二種情況為任務(wù)主動結(jié)束后，當前任務(wù)指針被置位NULL時。“任務(wù)切換”發(fā)生在兩個任務(wù)之間，一個是被換切換出去的任務(wù)，另一個是將要執(zhí)行的任務(wù)。任務(wù)切換函數(shù)也由匯編代碼實現(xiàn)。它所要完成的工作主要有兩個，第一是將舊任務(wù)（被換切換出去的任務(wù)）的上下文保存到自己的棧中，第二是新任務(wù)（將要執(zhí)