uC/OS-II內(nèi)核超時等待機制的分析

1引言

　uC/OS-II是著名的源碼公開的實時內(nèi)核[1]，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于各類8位16位和32位單片機或DSP。現(xiàn)在有很多使用者正在或已經(jīng)將其移植到各種類型的芯片。因為源碼公開，uC/OS-II也經(jīng)常被作為嵌入式實時內(nèi)核的教材，為專業(yè)人員提供了學(xué)習(xí)實時內(nèi)核的難得機會。在實際使用中不管基于何種操作系統(tǒng)平臺，應(yīng)用程序經(jīng)常會等待一些系統(tǒng)資源，如信號量，事件標志，消息等。等待類型共有三種：(1)如果不能馬上獲取，懸掛等待；(2)不管是否能獲取資源，馬上返回，不會等待；(3) 如果不能馬上獲取資源，將進行有限時間的等待，即超時等待。

2超時等待機制的基本原理

　應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口獲取資源時，在系統(tǒng)調(diào)用的入口參數(shù)里可以指定超時等待的最大時間，通常以毫秒為單位，內(nèi)核會將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的時鐘滴嗒數(shù)(tick)。一般內(nèi)核都會執(zhí)行以下流程：

(1)如果資源能馬上獲取，系統(tǒng)調(diào)用將成功返回。

(2)如果資源不能馬上獲取，內(nèi)核將設(shè)置一定時器進行計時，把當(dāng)前任務(wù)懸掛在該資源的等待隊列上，該任務(wù)從就緒表中刪除，并進行調(diào)度，讓出CPU的使用權(quán)。
　
　(3)如果在指定的時間內(nèi)資源變得可以獲取了，定時器應(yīng)馬上停止計時，該任務(wù)從等待隊列里摘下并且重新回到就緒表中等候調(diào)度。

(4)如果定時器到時，任務(wù)應(yīng)該從等待隊列里摘下并且重新回到就緒表中，系統(tǒng)調(diào)用返回超時信息。

　內(nèi)核在每一個tick都會做一系列的工作，包括任務(wù)的延遲以及超時等待資源的定時器等相關(guān)的檢查操作。一般來講，在指定的時間間隔以外到達的資源和信號被認為是無效的，這也是指定超時時間間隔的原意所在，有些對時間要求苛刻的場合就有這種需求，內(nèi)核必須處理好這方面的問題。

3uC/OS-II內(nèi)核超時等待機制的分析

　假設(shè)某任務(wù)T超時等待信號量資源R，先來分析時鐘節(jié)拍函數(shù)的源代碼。

void OSTimeTick(void)

{

OS_TCB *ptcb;

OSTimeTickHook();

ptcb=OSTCBList;

while(ptcb->OSTCBPrio!=OS_IDLE_PRIO){

OS_ENTER_CRITICAL();

if(ptcb->OSTCBDly!=0){

if(--ptcb->OSTCBDly==0){

if(!(ptcb->OSTCBStatOS_STAT_SUSPEND)){//(1)

OSRdyGrp|=ptcb->OSTCBBity; //(2)

OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY]|=ptcb->OSTCBBitX;//(3)

}else {

ptcb->OSTCBDly=1;

}

}

}

ptcb=ptcb->OSTCBNext;

OS_EXIT_CRITICAL();

}

OS_ENTER_CRITICAL();

OSTime++;

OS_EXIT_CRITICAL();

}

　　語句(1),(2),(3)表明：時鐘中斷服務(wù)程序在每一個時鐘中斷在需要的情況下對任務(wù)的延遲項進行減1操作，如果任務(wù)T的定時時間間隔到期（延遲項被減為0），并且任務(wù)T沒有附加的掛起操作，任務(wù)T就會進入就緒表，然而該函數(shù)卻沒有進一步將任務(wù)T移出資源R的等待隊列，也就是說此時任務(wù)T跨了兩個狀態(tài)，這兩個狀態(tài)從本質(zhì)上講是矛盾的。雖然任務(wù)T此時處于就緒狀態(tài)，但未必馬上就能獲得執(zhí)行權(quán)，這取決于任務(wù)T的優(yōu)先級。在任務(wù)T沒有被調(diào)度執(zhí)行之前的這段時間內(nèi)，假設(shè)資源R到達了，比如一個中斷服務(wù)程序調(diào)用了OSSemPost函數(shù)，會是什么情況呢？我們再來分析OSSemPost函數(shù)。

void OSSemPost(OS_EVENT *pevent)

{

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pevent->OSEventGrp!=0x00){

OS_EventTaskRdy(pevent,(void*)0,OS_STAT_SEM);//(4)

OS_EXIT_CRITICAL();

OS_Sched();

return(OS_NO_ERR);

}

if(pevent->OSEventCnt65535){

pevent->OSEventCnt++;

OS_EXIT_CRITICAL();

return(OS_NO_ERR);

}

OS_EXIT_CRITICAL();

return(OS_SEM_OVF);

}

}

　從語句(4)可以看出，在資源R的等待列表中有等待任務(wù)的情況下，等待表中最高優(yōu)先級的任務(wù)將從等待列表中刪除，并且進入就緒表。如果等待表中的最高優(yōu)先級任務(wù)就是前面講的等待超時的任務(wù)T，這相當(dāng)于任務(wù)T又一次進入就緒表，不過只有一次從等待表中刪除。任務(wù)T獲取到了資源，只不過是在超時時間以外獲取到的。任務(wù)T獲得執(zhí)行權(quán)以后從調(diào)度程序返回將運行函數(shù)OSSemPend()語句(6)處的條件代碼，此時語句(5)處的條件不成立，任務(wù)按獲取到資源對待。

void OSSemPend(OS_EVENT *pevent,INT16U timeout,INT8U *err)

{

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pevent->OSEventType!=OS_EVENT_TYPE_SEM){

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_ERR_EVENT_TYPE;

}

if(pevent->OSEventCnt>0){

pevent->OSEventCnt--;

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR;

}else if(OSIntNesting>0){

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_ERR_PEND_ISR;

}else{

OSTCBCur->OSTCBStat|=OS_STAT_SEM;

OSTCBCur->OSTCBDly=timeout;

OSEventTaskWait(pevent);

OS_EXIT_CRITICAL();

OSSched();

OS_ENTER_CRITICAL();

if(OSTCBCur->OSTCBStatOS_STAT_SEM){ //(5)

OSEventTo(pevent);

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_TIMEOUT;

}else{ //(6)

OSTCBCur->OSTCBEventPtr=(OS_EVENT*0);

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR;

}

}

}

void OSEventTo(OS_EVENT *pevent)

{

if((pevent->OSEventTbl[OSTCBCur->OSTCBY]=~OSTCBCur->OSTCBBitX)==0)

{

pevent->OSEventGrp=~OSTCBBitY;

}

OSTCBCur->OSTCBStat=OS_STAT_RDY;

vOSTCBCur->OSTCBEventPtr=(OS_EVENT*0);}

　如果任務(wù)T由于超時進入就緒態(tài)，到T獲得執(zhí)行權(quán)之前，仍沒有獲取到資源R，將運行語句(5)處的條件代碼，由函數(shù)OSEventTo()可以看出，此時任務(wù)T才被從等待表中刪除，最后返回超時狀態(tài)。
　通過分析開放源碼的nucleus內(nèi)核，發(fā)現(xiàn)nucleus在超時到期時執(zhí)行定時器的一個回調(diào)函數(shù)，此回調(diào)函數(shù)馬上將等待任務(wù)從等待鏈表中刪除，將返回狀態(tài)定性為超時。這樣在任務(wù)獲得執(zhí)行權(quán)前，即使資源到達，該任務(wù)也不會得到。這樣一來，uC/OS-II內(nèi)核只要在時鐘節(jié)拍函數(shù)里增加代碼將延時期滿的任務(wù)從相應(yīng)的資源等待列表中刪除即可。這一工作很容易實現(xiàn)，內(nèi)核任務(wù)控制塊有指向所等待的信號量，消息等事件控制塊的指針，事件控制塊里有相應(yīng)的等待表。對于uC/OS-II新引進的事件標志組[2]，任務(wù)控制塊有指向相應(yīng)的等待節(jié)點的指針，等待節(jié)點有指向相應(yīng)的事件標志組控制塊的指針，刪除一個等待節(jié)點也能實現(xiàn)。

4結(jié)論

　uC/OS-II其它資源的等待機制，比如消息以及包括2.5.2版引入的事件標志組的實現(xiàn)都存在上述的超時時間不嚴格的問題，這是由中斷節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()決定的，該函數(shù)只負責(zé)將任務(wù)移入就緒表，而不處理相應(yīng)的等待表。