嵌入式操作系統(tǒng)任務切換方法對比分析
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在Linux系統(tǒng)中，任務的上下文切換和調度比較復雜。Linux的上下文切換功能是由context_switch()函數(shù)完成的。代碼如下：
context_switch()完成了2個工作：
①切換虛擬內存映射，即負責把虛擬內存從被切換下來的進程映射到新進程中，該功能由函數(shù)switcn_mm()實現(xiàn)。
②切換進程的寄存器狀態(tài)，即負責從一個進程的處理器狀態(tài)切換到新進程的處理器狀態(tài)，該功能由函數(shù)switcn_to()實現(xiàn)。
在多任務系統(tǒng)中，都會提供一個系統(tǒng)函數(shù)來進行進程(任務)間切換，綜合來說，它們有兩種進程(任務)切換方式：
①由進程(任務)本身直接調用任務切換函數(shù)進行進程(任務)切換。在當前進程(任務)因為不能獲得必需的資源而立即被堵塞時，就由進程(任務)本身直接調用進程(任務)切換函數(shù)進行進程(任務)間調度。在Linux中可以直接調用schedule()函數(shù)來實現(xiàn)。
②延遲調用任務切換函數(shù)進行進程(任務)切換。此方式是把當前進程(任務)設置一調度標志而以延遲方式調用任務切換函數(shù)進行進程(任務)切換。在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復用戶態(tài)進程執(zhí)行之前，檢查這一調度標志，在這里標志是need_resched，如果有這一標志，就調用調度函數(shù)進行進程切換。
此種情況主要包括以下幾種：
①當前進程用完了它的CPU時間片，由scheduler_tick()函數(shù)完成schedule()的延遲調用。
②當一個被喚醒進程的優(yōu)先級比當前進程優(yōu)先級高時，由try_to_wake_up()函數(shù)完成schedule()的延遲調用。
③當發(fā)出系統(tǒng)調用sched_setscheduler()時。在這些情況中，主要由于系統(tǒng)調用或中斷而進入內核態(tài)，或者當前進程本來在內核態(tài)時，返回用戶態(tài)時發(fā)生的。
在VxWorks系統(tǒng)中，任務的優(yōu)先級為0～255。任務有4種狀態(tài)：就緒態(tài)、懸置態(tài)、休眠態(tài)和延遲態(tài)，如圖3所示。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/150419.htm
內核缺省調度機制為基于優(yōu)先級的搶占式調度。采用這種機制，系統(tǒng)把處理機分配給優(yōu)先級最高的進程，使之執(zhí)行。一旦出現(xiàn)優(yōu)先級更高的進程時，該任務被剝奪CPU使用權，而去執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務。而在相同優(yōu)先級的多個任務之間，采用時間片輪轉調度機制。采用這種機制，當一個任務到達時，它被安排在輪轉隊列的后面，等待分配給自己的時間片的到來，如果在時間片內沒有結束，則在等待屬于自己的時間片的到來，直到任務完成。
在VxWorks系統(tǒng)中，對于優(yōu)先級相同的任務，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過時間片輪轉方式公平享有CPU資源。輪轉調度法給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務分配一個相同的時間片，該時間片的大小由系統(tǒng)調用KernelTimeSlice決定。
在Windows CE系統(tǒng)中，Windows CE 3．0之后，系統(tǒng)支持的優(yōu)先級增長到256個，0優(yōu)先級級別最高，255優(yōu)先級級別最低。0～247的優(yōu)先級屬于實時性優(yōu)先級，248～255的優(yōu)先級一般分配給普通應用程序。Windows CE．NET采用基于動態(tài)優(yōu)先級的搶占式多任務機制，越重要的任務，優(yōu)先級越高。Windows CE．NET在任務調度中采用任務優(yōu)先級制、優(yōu)先級動態(tài)調整機制和搶占式調度，都是為了最大限度地滿足系統(tǒng)的實時性要求。對于一個優(yōu)先級只有一個任務的簡單系統(tǒng)內核，上述的3種調度足以滿足要求，但對于Windows CE．NET這樣復雜、高性能的多任務實時內核，由于多個任務允許公用一個優(yōu)先級，則相同優(yōu)先級的任務要采用Windows CE．NET提供的時間片輪轉法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)如圖4所示。
在沒有更高優(yōu)先級任務就緒時，相同優(yōu)先級的任務依照就緒的先后次序執(zhí)行。執(zhí)行一定的時間片后，無論任務完成與否，均轉入下一任務運行。未運行完的任務釋放處理器的控制權后轉入就緒隊列的末尾，依次往復。這樣的輪轉策略保證了具有相同優(yōu)先級的任務平等地享有控制權的處理權。在Windows CE系統(tǒng)中，一般設置的時間片大小為10 ms。
3 總結
本文對幾種操作系統(tǒng)的內核的主要部分(任務切換與調度)進行了分析比較，便于理解其實時性、可靠性等方面的優(yōu)缺點，為以后進行系統(tǒng)的移植和開發(fā)打下基礎。由于筆者時間和精力有限，而且目前的操作系統(tǒng)很多，本文只分析了4種系統(tǒng)，還不夠完善。未來可以對其他更多的實時操作系統(tǒng)進行分析比較。
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