實時操作系統(tǒng)VxWorks的內(nèi)核任務調(diào)度研究

      1、引言
   

       VxWorks操作系統(tǒng)是WindRiver公司開發(fā)的一種高性能的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它帶有一個功能強大的集成開發(fā)系統(tǒng)環(huán)境Tornado。

        VxWorks具有軟件生成代碼小、實時性強及響應速度快等特點，特別適合于具有實時和多任務要求的系統(tǒng)。VxWorks自20世紀80年代問世以來，以其高性能、高可靠性、高實時性等特點成為實時操作系統(tǒng)中最具特色的系統(tǒng)。自1996年登陸中國，短短幾年就已成為國防、工業(yè)自動化、網(wǎng)絡通信、航空航天、醫(yī)療儀器、狀態(tài)監(jiān)控以及消費電子產(chǎn)品等嵌入式實時領域的首選操作系統(tǒng)。由于嵌入式實時操作系統(tǒng)在內(nèi)核方面具有自身的特點，本文著重對實時內(nèi)核中任務調(diào)度進行了詳細分析。

       2、任務調(diào)度概述

      2.1 調(diào)度的概念
   

       構(gòu)成應用軟件系統(tǒng)的程序集合中，獨立的、相互作用的程序單元，在其執(zhí)行時稱之為任務。單個CPU 中，多任務機制制造了一個多個任務同時執(zhí)行的假象。其實系統(tǒng)只是根據(jù)一個多任務調(diào)度算法，將內(nèi)核插入到這些任務中執(zhí)行。實時系統(tǒng)VxWorks的一個任務可有多種狀態(tài)，但最基本的狀態(tài)有以下四種：

      1) 就緒態(tài)(Ready)：任務只等待系統(tǒng)分配CUP資源。
      2) 掛起態(tài)(Pend)：任務需等待某些不可利用的資源而被阻塞。
      3) 休眠態(tài)(Sleep)：如果系統(tǒng)不需要某一個任務工作，則這個任務處于休眠狀態(tài)。
      4) 延遲態(tài)(Delay)：任務被延遲時所處的狀態(tài)。
   

       當系統(tǒng)函數(shù)對某一個任務進行操作時，任務從一種狀態(tài)躍遷到另一種狀態(tài)。處于任一狀態(tài)的任務都可被刪除。VxWorks的任務躍遷如圖1所示。

        任務由系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度運行一段固定長度的時間，稱為時間片。調(diào)度是指為任務分配資源和時間，使系統(tǒng)滿足特定的性能要求。調(diào)度算法的目的是在正常情況下，盡可能滿足所有任務的時限：在峰值負載條件下，保證強實時任務滿足時限。因為時限是區(qū)分實時系統(tǒng)和非實時系統(tǒng)的關鍵因素，因此調(diào)度算法是實時系統(tǒng)的基本問題。實時操作系統(tǒng)所具有的運行性能，如吞吐量的大小、周轉(zhuǎn)時間的長短、相應的及時性和可預測性等在很大程度上都取決于實時調(diào)度。

      2.2調(diào)度的類型
   

       雖然調(diào)度的主要目的都是為了分配處理機，但在不同的OS中所采用的調(diào)度方式是完全不同的。在執(zhí)行調(diào)度時所采用的調(diào)度算法也可能不同。因此，常按照調(diào)度的層次把調(diào)度分成高級、中級和低級調(diào)度。
   

       高級調(diào)度又稱長程調(diào)度或作業(yè)調(diào)度，用于決定把外存上處于后備隊列中的哪些作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，并為它們創(chuàng)建進程、分配必要的資源，然后再將新創(chuàng)建的進程排在就緒隊列上，準備執(zhí)行。然而在實時系統(tǒng)中，為了能及時響應，用戶通過鍵盤輸入的數(shù)據(jù)都是直接送入內(nèi)存，因而實時系統(tǒng)通常不需要作業(yè)調(diào)度。
   

       中級調(diào)度又稱中程調(diào)度，引入它的主要目的是為了提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)吞吐量。它使那些暫時不能運行的進程不再占用寶貴的內(nèi)存空間，而將它們調(diào)到外存上去等待，此時的狀態(tài)稱為掛起狀態(tài)。當這些進程重新具備運行條件，且內(nèi)存又有空閑，由中級調(diào)度決定，將外存上的那些重新具備運行條件的就緒進程重新調(diào)入內(nèi)存，并使它為就緒狀態(tài)，掛在就緒隊列上等待進程調(diào)度。
   

        低級調(diào)度又稱進程調(diào)度。它決定就緒隊列中的哪個進程將獲得處理機，然后由分派程序執(zhí)行把處理機分配給該進程的操作。進程調(diào)度是最基本的一種調(diào)度，各種OS中都必須配置這級調(diào)度。進程調(diào)度可采用下述兩種方式。

      1)非搶占方式。

       采用這種調(diào)度方式，一旦把處理機分配給某進程后，便讓該進程一直執(zhí)行，直到該進程完成或發(fā)生某事件而被阻塞，才再把處理機分配給其他進程，決不允許某進程搶占已經(jīng)分配出去的處理機。顯然它難于滿足緊急任務的要求，實時系統(tǒng)中不宜采用這種調(diào)度方式。

      2)搶占方式。

      允許調(diào)度程序根據(jù)某種原則，去停止某個正在執(zhí)行的進程，將已分配給該進程的處理機，重新分配給另一進程。搶占的原則有：

       ① 時間片原則。各進程按時間片運行，當一個時間片用完后，便停止該進程的執(zhí)行而重新進行調(diào)度。
       ② 優(yōu)先權(quán)原則。當一個進程到來時，如果其優(yōu)先級比正在執(zhí)行的進程的優(yōu)先級高，便停止正在執(zhí)行的進程，將處理機分配給優(yōu)先級高的進程，使之執(zhí)行。實時系統(tǒng)中一般采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度的進程調(diào)度和中程調(diào)度相結(jié)合的調(diào)度策略。因此既可具有較大的靈活性，又能獲得極小的調(diào)度延遲。

     3、任務調(diào)度分析
   

       Wind內(nèi)核缺省調(diào)度機制為基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度。采用這種機制時，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)了另一個優(yōu)先級更高的進程時，進程調(diào)度程序剝奪當前任務的執(zhí)行，將處理機分配給高優(yōu)先級任務。而在相同優(yōu)先級的多個任務之間，采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機制。采用這種機制時，當一個任務到達時，它被排在輪轉(zhuǎn)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(nèi)沒有結(jié)束，則再等待屬于自己的時間片的到來，直到任務完成。

      3.1 優(yōu)先級搶占式
   

       采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度，系統(tǒng)中每個任務都有一個介于最高0到最低255之間的優(yōu)先級。任一時刻，系統(tǒng)內(nèi)核一旦發(fā)現(xiàn)一個優(yōu)先級更高的任務轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w態(tài)，內(nèi)核就保存當前任務的上下文并把當前任務狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞態(tài)，同時切換到這個高優(yōu)先級任務的上下文執(zhí)行。如圖2，低優(yōu)先級的task1被中優(yōu)先級的task2搶占，task2又被高優(yōu)先級的task3搶占。

      3.2 輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法
   

        采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，系統(tǒng)讓處于就緒態(tài)的優(yōu)先級相同的一組任務依次輪流執(zhí)行預先確定長度的時間片。這是一種處理機平均分配的方法。如果不使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，優(yōu)先級相同的一組任務中第一個獲得處理機的任務將不會被阻塞而獨占處理機，如果沒有阻塞或其他情況發(fā)生，它不會放棄處理機的使用權(quán)。如圖3，相同優(yōu)先級的task1、task2和task3平均分配預先確定的處理機時間片。

 
      3.3 搶占調(diào)度與輪轉(zhuǎn)調(diào)度混合方式
   

       有時，基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度可與輪轉(zhuǎn)調(diào)度相結(jié)合。當優(yōu)先級相同的一組任務依次輪流平均分配處理機時，若有高優(yōu)先級的任務轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w態(tài)則可搶占該組任務。直到再一次符合執(zhí)行條件時，該組任務才可再次共享處理機。如圖4，相同優(yōu)先級的task1、task2和task3輪流占有處理機時，高于該組優(yōu)先級的task4搶占處理機，等task4執(zhí)行結(jié)束，該組任務再次共享處理機。
 

 
       為了任務控制的靈活性，wind內(nèi)核還提供了動態(tài)優(yōu)先級機制，任務的優(yōu)先級在運行期間可動態(tài)地變化。同時，為了防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，還具有優(yōu)先級繼承機制，通過使用互斥信號量可以防止高優(yōu)先級的任務被迫等待一段不確定時間，直到一個低優(yōu)先級任務完成。

     4、結(jié)論
   

      任務是代碼運行的一個映像，從系統(tǒng)的角度來看，任務是競爭系統(tǒng)資源的最小運行單元。vxworks內(nèi)核使任務能快速共享系統(tǒng)的絕大部分資源，同時有獨立的上下文來控制個別線程的執(zhí)行。內(nèi)核調(diào)度是一個實時系統(tǒng)的核心，它的好壞直接影響整個系統(tǒng)的好壞，通過對這種內(nèi)核調(diào)度分析，可以更深入的理解實時操作系統(tǒng)設計的獨到之處。