嵌入式操作系統中的搶占式調度策略

嵌入式操作系統中的搶占式調度策略

摘要：絕大多數嵌入式操作系統采用搶占式的調度方式。本文主要講述采用搶占式方式進行任務調度的嵌入式操作系統的調度策略和原理。
　　關鍵詞：搶占式多任務中斷
　　
　　引言
　　
　　通過逐行閱讀順序程序的源代碼，不難說出程序會向處理器提出什么樣的特定操作，并且也能說出這些操作的順序。實際上，如果能夠知道對一個順序程序的所有輸入，那就不僅能精確預測到處理器所執行的一系列機器碼，還能計算出系統最終的輸出值或系統行為。這樣，無論這個程序運行的速度快慢，都能夠得到一個唯一的結果。
　　
　　然而，在現實中順序操作程序是很少見的。譬如，在嵌入式系統C程序中的main（）函數，盡管它看上去是順序的，但是這種看似順序執行的程序最終會被系統的硬件中斷，在某個時刻所打斷。當外圍設備中斷產生后，相應的中斷服務程序會運行，從而取代當前main（）函數的執行。這個過程就可以稱為搶占。
　　
　　搶占意味著main（）函數將以比預期慢的速度執行。這是因為它執行速度的快慢與系統中斷的數量、中斷程序的執行時間以及用于保存和恢復處理器狀態的操作時間有著直接的關系。實質上，大部分的處理器周期都被中斷服務程序給占用了。除非對中斷服務程序有時間的限制，否則，這些中斷自身并不會改變系統其它部分的輸出，它們只是減慢了程序的執行。
　　
　　由于絕大多數中斷服務程序處理來自于系統設備的中斷，這樣它們的執行必將會帶來系統狀態的改變。這種狀態的改變最終會給后續指令主序列中的系統行為帶來變化，指令主序列則必須做出適當的反應來避免狀態改變帶來的影響。此時，不但難以預測處理器將執行的操作，同時也難以知道何時，并且以何種順序來執行這些操作。
　　
　　絕大多數處理器支持中斷的嵌套。一個打斷程序順序執行的中斷服務程序可以被另一個更高優先級的中斷服務程序所打斷。當該高優先級的中斷服務程序執行完成后，最初的中斷可以在指令主序列之前得以繼續執行。
　　
　　當每一個搶占過程發生時，處理器標志位、當前PC指針以及關鍵寄存器的內容都應該被保存起來（通常在RAM中），這稱為被搶占程序的上下文（context）。這些信息會在該程序進入運行態之前恢復到處理器中。在中斷事件產生時，大多數處理器會自動保存這些值，剩下的就是必須執行中斷服務程序的入口和出口代碼了。
　　
　　1偽并行
　　
　　一個近似的技術就是使處理器像對待處理硬件事件一樣處理軟件事件。為了達到這個目的，需要將系統劃分為一系列獨立的事件來處理，即任務。搶占式調度方式使這個想法成為可能。該調度方式管理著系統軟件對處理器的使用，并且使系統能夠保證對時間要求嚴格的事件得以有效的執行。
　　
　　每個任務就是一個順序執行的函數，并常常以一個無限循環作為結束。這樣，就好像任務獨占了處理器；同時，每個任務都被賦予特定的工作，如讀傳感器、掃描鍵盤、記錄一些數據或者刷新顯示等。每個任務都擁有一個相應的優先級，并在RAM中有屬于自己的堆棧空間。總的來說，這一系列任務一起完成了整個系統所要完成的功能。
　　
　　當一個高優先級任務搶占一個低優先級任務時，調度器所做的操作與處理器處理中斷的操作一致。首先，將當前運行任務的上下文保存到內存中某個地方，然后開始執行新的任務。如果這個新任務在先前已經運行了，那它必有一個保存的上下文，那么，則需要恢復這些內容使其繼續運行。當高優先級任務執行完后，調度器將保存其最終的上下文，并且恢復被搶占任務的運行，就好像該低優先級任務從沒被打斷過。
　　
　　經過這樣劃分，每個任務函數可以被寫成獨占處理器的形式。在實際應用中，往往大多數系統中只有一個處理器。所以在某個特定時刻應該只有一個任務或中斷在執行。當沒有中斷發生時，調度器會根據就緒任務的優先級來決定任務的運行次序。
　　
　　圖1顯示了兩個不同優先級任務和一個中斷服務程序的執行情況。首先，中斷服務程序搶占低優先級的任務進入運行態，但是該中斷服務程序使一個更高優先級的任務進入就緒態。所以在中斷服務程序執行完成后，調度器選擇該高優先級任務進入運行，這樣就推遲了恢復執行被搶占任務的操作。需要注意的是，處理器總是認為系統中低優先級的中斷比高優先級的任務更重要。
　　
　　2任務控制
　　
　　有關每個任務的信息，如任務起始地址（在C中就是函數名的地址）、任務優先級和任務執行需要的堆棧空間，都必須提供給調度器。系統調用正是利用這些信息來建立一個新的任務。盡管在不同的操作系統中，這些信息會有所不同，但它們的作用是一樣的。
　　
　　在任務函數的實現體中，可能會調用與軟件事件或定時事件相關的系統函數。許多任務會等待一個特定類型的事件并對之作出響應。如一些可能產生一個軟件事件；另一些可能做一個100ns的等待，然后再進行重復。
　　
　　軟件事件和超時事件可以由其它任務或中斷服務程序來產生。對于后者，可以參看圖1。圖1顯示了一個中斷服務程序產生了一個高優先級任務正在等待的事件（從而喚醒該任務）。當然，可能該中斷服務程序只是執行了一個時鐘中斷，而該高優先級任務只是等待計數器到達某一個數值。由于新的軟件事件的到來，該高優先級任務將在下一次任務調度后投入運行。
　　
　　可以采用不同方式，甚至隨機地為任務設置優先級。然而，單調執行率算法（RAM）為我們提供了一個理想的方法來保證關鍵任務的時間期限總能得到滿足。
　　
　　3權衡
　　
　　在使用搶占式調度策略的系統中，內存消耗主要包含系統調用函數額外的ROM和任務堆棧使用的RAM。另一個代價就是CPU時間的損耗。例如，調度策略會消耗處理器的時鐘周期；上下文切換和時鐘節拍會消耗相當一部分的CPU時間，特別是它們頻繁發生的情況下。
　　
　　當任務共享諸如全局變量、數據結構或外設控制以及狀態寄存器等系統資源時，此時一個稱為互斥的系統機制被用來避免對這些共享資源競爭。互斥機制是一個避免資源競爭的有效方法；但同時它會帶來一個新的問題——優
　　
　　
　　
　　先級反轉。
　　
　　在一些應用中，將系統分成一個個獨立任務來設計，并使用搶占式的調度策略。這將簡化系統設計，但這種方法的利弊是需要權衡的。我們只有充分考慮這些權衡條件，才能對該方法是否適合我們的應用做出正確的判斷。

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