嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)切換方法對(duì)比分析
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在Linux系統(tǒng)中，任務(wù)的上下文切換和調(diào)度比較復(fù)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(gè)工作：
①切換虛擬內(nèi)存映射，即負(fù)責(zé)把虛擬內(nèi)存從被切換下來(lái)的進(jìn)程映射到新進(jìn)程中，該功能由函數(shù)switcn_mm()實(shí)現(xiàn)。
②切換進(jìn)程的寄存器狀態(tài)，即負(fù)責(zé)從一個(gè)進(jìn)程的處理器狀態(tài)切換到新進(jìn)程的處理器狀態(tài)，該功能由函數(shù)switcn_to()實(shí)現(xiàn)。
在多任務(wù)系統(tǒng)中，都會(huì)提供一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)來(lái)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間切換，綜合來(lái)說(shuō)，它們有兩種進(jìn)程(任務(wù))切換方式：
①由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在當(dāng)前進(jìn)程(任務(wù))因?yàn)椴荒塬@得必需的資源而立即被堵塞時(shí)，就由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調(diào)用進(jìn)程(任務(wù))切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間調(diào)度。在Linux中可以直接調(diào)用schedule()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
②延遲調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。此方式是把當(dāng)前進(jìn)程(任務(wù))設(shè)置一調(diào)度標(biāo)志而以延遲方式調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復(fù)用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行之前，檢查這一調(diào)度標(biāo)志，在這里標(biāo)志是need_resched，如果有這一標(biāo)志，就調(diào)用調(diào)度函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程切換。
此種情況主要包括以下幾種：
①當(dāng)前進(jìn)程用完了它的CPU時(shí)間片，由scheduler_tick()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
②當(dāng)一個(gè)被喚醒進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高時(shí)，由try_to_wake_up()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
③當(dāng)發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler()時(shí)。在這些情況中，主要由于系統(tǒng)調(diào)用或中斷而進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，或者當(dāng)前進(jìn)程本來(lái)在內(nèi)核態(tài)時(shí)，返回用戶態(tài)時(shí)發(fā)生的。
在VxWorks系統(tǒng)中，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為0～255。任務(wù)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(nèi)核缺省調(diào)度機(jī)制為基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度。采用這種機(jī)制，系統(tǒng)把處理機(jī)分配給優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程，使之執(zhí)行。一旦出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程時(shí)，該任務(wù)被剝奪CPU使用權(quán)，而去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。而在相同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)任務(wù)之間，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制。采用這種機(jī)制，當(dāng)一個(gè)任務(wù)到達(dá)時(shí)，它被安排在輪轉(zhuǎn)隊(duì)列的后面，等待分配給自己的時(shí)間片的到來(lái)，如果在時(shí)間片內(nèi)沒(méi)有結(jié)束，則在等待屬于自己的時(shí)間片的到來(lái)，直到任務(wù)完成。
在VxWorks系統(tǒng)中，對(duì)于優(yōu)先級(jí)相同的任務(wù)，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式公平享有CPU資源。輪轉(zhuǎn)調(diào)度法給處于就緒態(tài)的每個(gè)同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)分配一個(gè)相同的時(shí)間片，該時(shí)間片的大小由系統(tǒng)調(diào)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(jí)增長(zhǎng)到256個(gè)，0優(yōu)先級(jí)級(jí)別最高，255優(yōu)先級(jí)級(jí)別最低。0～247的優(yōu)先級(jí)屬于實(shí)時(shí)性優(yōu)先級(jí)，248～255的優(yōu)先級(jí)一般分配給普通應(yīng)用程序。Windows CE．NET采用基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)機(jī)制，越重要的任務(wù)，優(yōu)先級(jí)越高。Windows CE．NET在任務(wù)調(diào)度中采用任務(wù)優(yōu)先級(jí)制、優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制和搶占式調(diào)度，都是為了最大限度地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。對(duì)于一個(gè)優(yōu)先級(jí)只有一個(gè)任務(wù)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)內(nèi)核，上述的3種調(diào)度足以滿足要求，但對(duì)于Windows CE．NET這樣復(fù)雜、高性能的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，由于多個(gè)任務(wù)允許公用一個(gè)優(yōu)先級(jí)，則相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)要采用Windows CE．NET提供的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。
在沒(méi)有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒時(shí)，相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)依照就緒的先后次序執(zhí)行。執(zhí)行一定的時(shí)間片后，無(wú)論任務(wù)完成與否，均轉(zhuǎn)入下一任務(wù)運(yùn)行。未運(yùn)行完的任務(wù)釋放處理器的控制權(quán)后轉(zhuǎn)入就緒隊(duì)列的末尾，依次往復(fù)。這樣的輪轉(zhuǎn)策略保證了具有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)平等地享有控制權(quán)的處理權(quán)。在Windows CE系統(tǒng)中，一般設(shè)置的時(shí)間片大小為10 ms。
3 總結(jié)
本文對(duì)幾種操作系統(tǒng)的內(nèi)核的主要部分(任務(wù)切換與調(diào)度)進(jìn)行了分析比較，便于理解其實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后進(jìn)行系統(tǒng)的移植和開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。由于筆者時(shí)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(lái)可以對(duì)其他更多的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。
評(píng)論