uClinux進(jìn)程調(diào)度器的實(shí)現(xiàn)分析

0 引言

uClinux是針對控制領(lǐng)域的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它從Linux 2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了Linux的絕大部分特性，適合不具備內(nèi)存管理單元（MMU）的微處理器或微控制器，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種不同的微處理器平臺上。因此，對uClinux操作系統(tǒng)核心模塊的設(shè)計進(jìn)行分析對于應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。uClinux作為支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)，進(jìn)程調(diào)度是其重要的組成部分，本文就uClinux進(jìn)程調(diào)度器的設(shè)計實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。重點(diǎn)討論了uClinux的進(jìn)程調(diào)度機(jī)制，主要包括調(diào)度方式、調(diào)度策略、調(diào)度時機(jī)、調(diào)度算法這四個方面。

1 uClinux進(jìn)程的調(diào)度方式[1]

uClinux中每個進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)中有四項(xiàng)：policy、priority、counter、rt_priority，

它們是調(diào)度程序運(yùn)行時在所有可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程中選擇調(diào)度的依據(jù)。其中，policy是進(jìn)程調(diào)度策略，用來區(qū)分實(shí)時進(jìn)程和非實(shí)時進(jìn)程；priority是進(jìn)程（包括實(shí)時進(jìn)程和非實(shí)時進(jìn)程）的靜態(tài)優(yōu)先級；counter是進(jìn)程剩余的時間片，它的起始值就是priority的值，另外 counter還以看作是進(jìn)程的動態(tài)優(yōu)先級，用于計算處于可運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程值得運(yùn)行的程度goodness；rt_priority是實(shí)時進(jìn)程特有的，用于實(shí)時進(jìn)程間的選擇。[1]

其進(jìn)程調(diào)度過程可簡要概述如下：首先，uClinux根據(jù)policy從整體上區(qū)分實(shí)時進(jìn)程和非實(shí)時進(jìn)程，其中，實(shí)時進(jìn)程先于非實(shí)時進(jìn)程運(yùn)行，對于同一類型的不同進(jìn)程，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)來選擇，對于非實(shí)時進(jìn)程，uClinux根據(jù)進(jìn)程counter的大小采用動態(tài)優(yōu)先調(diào)度；對于實(shí)時進(jìn)程，uClinux采用先來先服務(wù)調(diào)度（FIFO）和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度（RR）兩種調(diào)度方法。

2 uClinux進(jìn)程的調(diào)度策略

在uClinux操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的調(diào)度策略是由task_struct結(jié)構(gòu)成員policy所選擇的，它的值為下述三種之一，即SCHED_FIFO（先來先服務(wù)調(diào)度），SCHED_RR（時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度）

和SCHED_OTHER（非實(shí)時調(diào)度）。

SCHED_FIFO遵循POSIX1.b標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度規(guī)則：CPU一直運(yùn)行，直到有一個進(jìn)程因I/O阻塞，或者主動釋放CPU，或者是CPU被另一個更高rt_priority的實(shí)時進(jìn)程搶占，進(jìn)程只有當(dāng)時間片用完時才能被迫釋放CPU。

SCHED_RR也遵循POSIX1.b標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度規(guī)則：與SCHED_FIFO類似，當(dāng)進(jìn)程的時間片用完后，調(diào)度程序就將其加到SCHED_RR 隊列的末尾。對于該調(diào)度策略只要系統(tǒng)中有一個實(shí)時進(jìn)程在運(yùn)行，則任何SCHED_OTHER進(jìn)程都不能在任何CPU上運(yùn)行。一個進(jìn)程從創(chuàng)建到任務(wù)完成后終止，可能需要經(jīng)歷多次反饋循環(huán)。

SCHED_OTHER是傳統(tǒng)的unix調(diào)度策略，適合于交互式的分時進(jìn)程。這類非實(shí)時進(jìn)程的優(yōu)先權(quán)取決于兩個因素：一個因素是進(jìn)程剩余時間配額，如果進(jìn)程用完了配給的時間，則相應(yīng)優(yōu)先權(quán)為0；如果進(jìn)程未用完時間片，則剩余時間參與其動態(tài)優(yōu)先級的計算。另一個因素是進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)nice，即優(yōu)先數(shù)越小，優(yōu)先級越高。

如果系統(tǒng)中有實(shí)時進(jìn)程處于就緒狀態(tài)，則非實(shí)時進(jìn)程就不能被調(diào)度運(yùn)行，直至所有實(shí)時進(jìn)程都完成了，非實(shí)時進(jìn)程才有機(jī)會占用CPU。

3 uClinux進(jìn)程的調(diào)度時機(jī)

通過分析進(jìn)程調(diào)度器的源代碼，可以發(fā)現(xiàn)uCLinux以五種方式轉(zhuǎn)入到schedule（）處理函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度[2]。

(1)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換時。當(dāng)進(jìn)程要調(diào)用sleep( )或pause( )等函數(shù)使進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生改變時，這些函數(shù)會主動調(diào)用schedule（）轉(zhuǎn)入進(jìn)程調(diào)度。

(2)進(jìn)程終止時，永久放棄對CPU的使用。

(3)通過時鐘中斷。uClinux初始化時，設(shè)定系統(tǒng)定時器的周期為10ms。當(dāng)時鐘中斷發(fā)生時，時鐘中斷服務(wù)程序timer_interrupt立即調(diào)用時鐘處理函數(shù)do_timer( )，該函數(shù)會調(diào)用mark_bh，將bh_active標(biāo)志的TIMER_BH置1，接著uClinux會在時鐘中斷服務(wù)程序中通過代碼片段

If( bh_active bh_mask)

{ intr_count =1；

do_bottom_half（）；

intr_count = 0；
}

來判斷此時是否有bottom_half服務(wù)要處理，若有則執(zhí)行do_bottom_half（）。該函數(shù)

會調(diào)用時鐘響應(yīng)函數(shù)timer_bh( )，分別由updates_times( )、run_old_timers( )和run_timer_list( )檢查、執(zhí)行調(diào)用服務(wù)。Update_times( )又調(diào)用update_process_times( )函數(shù)調(diào)整進(jìn)程的時間片，當(dāng)時間片小于0時，need_resched( 需要重調(diào)度)標(biāo)志會被置位。當(dāng)時鐘中斷處理完畢后，系統(tǒng)會返回到入口ret_from_intr，ret_with_reschedule處，判斷 need_resched 標(biāo)志是否置位，若是則轉(zhuǎn)入執(zhí)行schedule( )。