嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的分析

2004年10月A版

摘要： 本文介紹了嵌入式系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的一個(gè)實(shí)例。通過(guò)實(shí)例的討論對(duì)嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)有一個(gè)更深入的了解，有助于在編程中避免此類問題的發(fā)生。
關(guān)鍵詞： 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；VxWorks；多任務(wù)；優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

引言
VxWorks是美國(guó)Wind River(風(fēng)河)公司的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的可靠性和實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)采用基于優(yōu)先搶占式調(diào)度策略，系統(tǒng)為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，調(diào)度程序保證當(dāng)前運(yùn)行的是優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)。但在實(shí)際開發(fā)中，由于任務(wù)間資源共享，信號(hào)量及中斷的引入，往往會(huì)出現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間阻塞或阻塞一段不確定時(shí)間的現(xiàn)象，即所謂優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)(Priority Inversion)。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)會(huì)造成任務(wù)調(diào)度的不確定性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。本文在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中遇到的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，對(duì)造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的原因及其解決方法進(jìn)行了探討。

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)一般性描述
優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生在一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被迫等待一段不確定時(shí)間，圖1中3個(gè)任務(wù)分別為task1、task2和task3，其優(yōu)先級(jí)由高到低。從圖1可知，當(dāng)task3占有由信號(hào)量(semaphore)保護(hù)的某種共享資源而進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行時(shí)，task1就緒，由于系統(tǒng)的搶占式調(diào)度策略，出現(xiàn)task1搶占task3執(zhí)行。task1執(zhí)行一段時(shí)間后也進(jìn)入臨界區(qū)，但此時(shí)task3仍占有此臨界資源的信號(hào)量，task1被阻塞，等待task3釋放此信號(hào)量。在經(jīng)過(guò)這么一段時(shí)間后，task2已處于就緒狀態(tài)，于是系統(tǒng)調(diào)度task2執(zhí)行。如果task3在task2的執(zhí)行期間一直沒有能夠被調(diào)度執(zhí)行的話，那task1和task3將一直等到task2執(zhí)行完后才能執(zhí)行，task1更要等到task3釋放它所占有的信號(hào)量才能執(zhí)行；如果這段時(shí)間超出task1的最后期限，task1的調(diào)度出現(xiàn)了問題，此時(shí)輕則任務(wù)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞，重則造成系統(tǒng)崩潰。
優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)原因可歸納為：高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task1由于要等待被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task3占有的臨界資源而被task2阻塞，而此時(shí)具有中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task2搶占了task3的CPU時(shí)間,導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。此類優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題的解決方法大致有2種：一種被稱作優(yōu)先級(jí)繼承(inheritance)；另一種被稱作優(yōu)先級(jí)極限(ceilings)。下面介紹本文所遇到的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。

圖1  優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)示意圖

優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的實(shí)例
上節(jié)對(duì)一般意義上的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了描述，本節(jié)涉及的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)則較上述更為復(fù)雜，更具有隱蔽性。
本文采用的嵌入式微處理器為SAMSUNG公司的S3C2510, CPU核為arm940T。應(yīng)項(xiàng)目要求任務(wù)task1和task2中分別進(jìn)行調(diào)用微秒級(jí)和毫秒級(jí)的定時(shí)器功能函數(shù)，由于S3C2510處理器有5個(gè)32位定時(shí)器，因此只利用其中的兩個(gè)即可。這里，ms級(jí)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的代碼架構(gòu)如下：
1) 中斷處理函數(shù)：
LOCAL void Timer1_Int_Handle(void)
{
*S3C2510_TIC |= S3C2510_TIC_T1;/*清除中斷*/
...
semGive(TelID4_Stop);/*釋放二進(jìn)制信號(hào)量*/
...
}
2) 毫秒級(jí)定時(shí)函數(shù)
void ms_Delay(int ms)
{     
...
semTake(TelID4_Stop，WAIT_FOREVER);
...
}
3) 時(shí)鐘初始化函數(shù)
void msTimer_Init()
{
TelID4_Stop=semCreate (SEM_Q_FI FO,SEM_EMPTY);/*初始化二進(jìn)制信號(hào)量*/
assert(TelID4_Stop);
...
}
us級(jí)定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)的代碼與上面類似，這里不再給出相應(yīng)的代碼。函數(shù)調(diào)用說(shuō)明：先進(jìn)行初始化，然后任務(wù)可隨意調(diào)用定時(shí)功能函數(shù)。當(dāng)某個(gè)任務(wù)調(diào)用定時(shí)功能函數(shù)時(shí)，該任務(wù)被信號(hào)量阻塞，同時(shí)定時(shí)器開始進(jìn)行減一計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)時(shí)將信號(hào)量釋放，此時(shí)信號(hào)量變的可用，任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)兩個(gè)不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1，task2(設(shè)優(yōu)先級(jí)分別為93和94)同時(shí)運(yùn)行，并分別調(diào)用us和ms級(jí)定時(shí)功能函數(shù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了，task1會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞。其中，task1和task2的調(diào)用如下：
void task1(void)
{
...
FOREVER
{
...
us_Delay();
...
taskDelay(4);
}
void Task2(void)
{
...
FOREVER
{
...
ms_Delay();
...
}
上述兩個(gè)任務(wù)之間資源是獨(dú)立的，但兩個(gè)任務(wù)在一起運(yùn)行時(shí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)被長(zhǎng)期阻塞。
解決上述問題的方法比較簡(jiǎn)單，只要調(diào)整task1的任務(wù)優(yōu)先級(jí)低于task2，這里選為95，則兩個(gè)任務(wù)可長(zhǎng)時(shí)間并行運(yùn)行。
由于加入了中斷和信號(hào)量，使系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度變的復(fù)雜，從而導(dǎo)致兩個(gè)原本看似獨(dú)立的任務(wù)task1和task2，不能正常并行運(yùn)行。造成此類現(xiàn)象的原因分析極其復(fù)雜，可視為是系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)盲點(diǎn)，但此類問題可通過(guò)總結(jié)規(guī)律而有效繞開。例如在上述問題中，若task1調(diào)用的定時(shí)函數(shù)的定時(shí)時(shí)間小于task2中的定時(shí)時(shí)間，則相應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)也應(yīng)設(shè)有task1Priority< task2Priority，這樣高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就不會(huì)被阻塞。

結(jié)語(yǔ)
本文結(jié)合實(shí)際例子，對(duì)VxWorks中優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題進(jìn)行了探討，并對(duì)此類問題的解決方法進(jìn)行了描述。本文的探討將使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員更深入了解優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題。

參考文獻(xiàn)：
1. 劉輝、孟凡榮、席景科，‘嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題’，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003.3.
2、黨紀(jì)紅、李東明、袁贛南，‘VxWorks實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度的研究分析’，應(yīng)用科技，2003.2.