嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)PetOS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        PetOS是一個(gè)自行設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本文介紹了PetOS的技術(shù)背景，并詳細(xì)闡述PetOS系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)管理機(jī)制以及中斷管理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理,指出PetOS在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。 
       

       1 引言

       在嵌入式領(lǐng)域中，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)可以更合理、更有效地利用CPU 的資源,簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì),縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間,更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。由于RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM 資源),只有μC/OS II、PalOS等少數(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能在小RAM 系統(tǒng)上運(yùn)行。相對于μC/OS II[2]等商業(yè)操作系統(tǒng),PalOS[1]操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng),具有源碼公開、內(nèi)核簡單等的特點(diǎn)。但該系統(tǒng)不支持任務(wù)優(yōu)先級、中斷等相對復(fù)雜的功能，不能很好的滿足嵌入式電子設(shè)備的需要。

       2 PetOS簡介

       PalOS是UCLA（加州大學(xué)洛山機(jī)分校）為傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)微型操系統(tǒng)。系統(tǒng)輪詢每個(gè)任務(wù)的消息隊(duì)列，如果存在消息則調(diào)用任務(wù)相應(yīng)的消息處理函數(shù)。但是這種簡單的輪詢機(jī)制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法滿足更為復(fù)雜的應(yīng)用需求。在任務(wù)管理、系統(tǒng)時(shí)鐘管理和中斷管理等功能上,PalOS的功能都有待加強(qiáng)。

       PetOS以PalOS為原型，改進(jìn)了任務(wù)調(diào)度算法，引入優(yōu)先級的概念。每個(gè)任務(wù)可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級, CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)的優(yōu)先級管理。PetOS還提供了嚴(yán)格優(yōu)先級調(diào)度模式和非嚴(yán)格優(yōu)先級調(diào)度模式，用于緩解高優(yōu)先級任務(wù)持續(xù)被調(diào)度時(shí)，低優(yōu)先級任務(wù)出現(xiàn)‘餓死’的現(xiàn)象。

                                                     圖1 PetOS內(nèi)核框架
 
       簡單輪詢或者優(yōu)先級調(diào)度都無法保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。這兩種調(diào)度都基于事件驅(qū)動，任務(wù)必須完成事件響應(yīng)才會執(zhí)行下一輪調(diào)度，因此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性會受到事件響應(yīng)函數(shù)的粒度的影響，為了增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，PetOS加入了中斷管理及系統(tǒng)時(shí)鐘管理，用于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。中斷可以由硬件產(chǎn)生，也可以由應(yīng)用程序產(chǎn)生。中斷產(chǎn)生后，系統(tǒng)會及時(shí)進(jìn)入中斷模式進(jìn)行處理，從而保證實(shí)時(shí)性要求很高的事務(wù)能得到及時(shí)的處理。

       PetOS內(nèi)核框架如圖1。

       3 PetOS的實(shí)現(xiàn)
       3.1 PETOS任務(wù)維護(hù)/調(diào)度模塊
任務(wù)維護(hù)/調(diào)度模塊是PetOS的核心模塊 負(fù)責(zé)任務(wù)的管理和調(diào)度。

       ·TASK（任務(wù)）:

       TASK是PetOS應(yīng)用程序的邏輯實(shí)體，擁有獨(dú)立的輸入響應(yīng)、消息響應(yīng)和輸出控制，是PetOS的調(diào)度實(shí)體。

       PetOS任務(wù)具有如下5個(gè)狀態(tài)：

       ·UNREGISTER   ：由于Task列表采用靜態(tài)數(shù)組，此狀態(tài)表示該數(shù)組項(xiàng)無效

       ·UNINIT：任務(wù)已經(jīng)注冊，但是尚未初始化，不可執(zhí)行

       ·STOP：任務(wù)停止?fàn)顟B(tài)。不接受消息，不可執(zhí)行。無數(shù)據(jù)

                                                       圖2 PetOS 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
 
      ·RUN：任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。能接受消息，可以執(zhí)行

      ·PAUSE：任務(wù)掛起狀態(tài)：不能接受消息，不可執(zhí)行。但保持?jǐn)?shù)據(jù)。

      任務(wù)在PetOS啟動時(shí)被注冊，并常駐在操作系統(tǒng)中。即操作系統(tǒng)初始化完畢并啟動之后，操作系統(tǒng)調(diào)度的任務(wù)列表是固定的。操作系統(tǒng)啟動后，任務(wù)只會在運(yùn)行、暫停、掛起狀態(tài)之前切換。

      任務(wù)狀態(tài)圖如圖2：

      為了方便任務(wù)的管理與控制，每個(gè)TASK都會綁定TCB（task control block）。TCB類似于現(xiàn)代操作系統(tǒng)中進(jìn)程的PCB，它記錄了task的各種狀態(tài)變量、控制變量以及標(biāo)準(zhǔn)接口的函數(shù)指針，便于PetOS和應(yīng)用程序維護(hù)。

      Event(事件消息):

      Event是PetOS進(jìn)程調(diào)度的粒度單位。

      由于PetOS的每個(gè)任務(wù)不具備獨(dú)立的代碼/數(shù)據(jù)段/堆棧指針，我們無法在任意的位置暫停一個(gè)task而啟動另一個(gè)。PetOS的解決策略是：將task拆分成為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的由事件驅(qū)動的邏輯模塊，每個(gè)task都有各自獨(dú)立的事件隊(duì)列。Task的每個(gè)邏輯功能都會被映射成一個(gè)事件，操作系統(tǒng)通過賦予某個(gè)task響應(yīng)事件的權(quán)利來完成一次調(diào)度。而操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度可以Task輪流響應(yīng)事件來實(shí)現(xiàn)。

      任務(wù)的調(diào)度:

                                                              圖3調(diào)度算法流程圖
 
      在嵌入式系統(tǒng)中，很多應(yīng)用要求執(zhí)行的優(yōu)先級絕對優(yōu)先，比如USB文件傳輸?shù)奶幚?。為此，PetOS采用了多級任務(wù)機(jī)制，并賦予高優(yōu)先級的任務(wù)更高的執(zhí)行權(quán)限。調(diào)度時(shí)，PetOs將優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先級高的任務(wù)。這種調(diào)度方式保證了高優(yōu)先級任務(wù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，但可能導(dǎo)致低優(yōu)先級的任務(wù)永遠(yuǎn)無法被執(zhí)行。為了緩解這種‘餓死’現(xiàn)象，PetOS提供了兩種可選的配置：

      ·嚴(yán)格優(yōu)先級調(diào)度模式：即，若高優(yōu)先級的任務(wù)隊(duì)列中存在還有事件未響應(yīng)的任務(wù)，則無條件執(zhí)行高優(yōu)先級的任務(wù)。

      ·非嚴(yán)格優(yōu)先級調(diào)度模式：即，當(dāng)高優(yōu)先級隊(duì)列調(diào)度一輪過后，次優(yōu)先級的任務(wù)隊(duì)列中的第一個(gè)待執(zhí)行任務(wù)可以得到1次調(diào)度。調(diào)度完成后繼續(xù)輪詢高優(yōu)先級隊(duì)列。

      可以看到兩者的區(qū)別在于：嚴(yán)格調(diào)度模式可以保證高優(yōu)先級任務(wù)的絕對優(yōu)先，但是低級任務(wù)可能出現(xiàn)‘餓死’的情況。而對于非嚴(yán)格調(diào)度模式，不論任務(wù)優(yōu)先級有多低，總能以較低的頻率執(zhí)行。

      調(diào)度算法的分析及優(yōu)化:

      在非嚴(yán)格模式下，設(shè)一級、二級、三級task隊(duì)列的長度分別為N1，N2，N3。則二級隊(duì)列中調(diào)度一個(gè)任務(wù)需要判斷一級任務(wù)N1次；三級隊(duì)列中調(diào)度一個(gè)任務(wù)需要在一級隊(duì)列中判斷N1×N2次，在二級隊(duì)列中判斷N2次。在一級二級任務(wù)都很少被執(zhí)行，而三級隊(duì)列中的任務(wù)消息粒度很小且執(zhí)行頻率很高時(shí)，任務(wù)調(diào)度所占用的系統(tǒng)消耗便會急劇上升。

       一種解決方法是：PetOS給每個(gè)消息隊(duì)列加入了32Bit消息標(biāo)記位。其中的每一位對應(yīng)一個(gè)該優(yōu)先級中的任務(wù)。若消息標(biāo)記變量的某一位為1，則代表該位對應(yīng)的task存在尚未響應(yīng)的事件；若為0，則表示該級隊(duì)列所有任務(wù)的事件都已經(jīng)處理完畢，可以調(diào)度次優(yōu)先級的任務(wù)。

       通過消息標(biāo)記位策略，若一級二級任務(wù)都不存在需要被調(diào)度的任務(wù)，則三級任務(wù)被調(diào)度一次的代價(jià)只是查詢一級、二級任務(wù)的消息標(biāo)記位各一次，從而大大降低了系統(tǒng)的消耗。

       3.2中斷管理/定時(shí)函數(shù)管理
       中斷管理:

       由于PetOS的實(shí)時(shí)性受到事件粒度大小的影響，系統(tǒng)需要提供一種更強(qiáng)有力的實(shí)時(shí)性保障：中斷。PetOS中斷處理模塊主要完成中斷源的判斷、中斷向量的維護(hù)以及中斷響應(yīng)函數(shù)的調(diào)度等工作。

       PetOS支持64個(gè)中斷源[3]，并對每個(gè)中斷源支持不限數(shù)目的中斷處理函數(shù)，因此該列表是一個(gè)雙向鏈表，里面包涵了該中斷號下的中斷處理函數(shù)，定位后依次執(zhí)行該鏈表中的函數(shù)。

       采用鏈表方式維護(hù)中斷處理函數(shù)可以更加靈活的維護(hù)中斷函數(shù)列表，但是實(shí)際上，很多中斷函數(shù)都是一次性的，比如USB連接響應(yīng)函數(shù)在被調(diào)用后，需要將自己從該中斷的函數(shù)列表內(nèi)刪除。而此時(shí)，中斷處理函數(shù)正在使用該列表，這樣就引起了中斷函數(shù)鏈表的不一致性。

       解決的方式是：

       1）給所有函數(shù)句柄加入狀態(tài)。

       2）維護(hù)中斷函數(shù)列表時(shí)，如果句柄處于閑置狀態(tài)，則進(jìn)行默認(rèn)的操作；如果句柄處于IRQ狀態(tài)被刪除，則暫時(shí)不進(jìn)行直接的刪除操作，而是將句柄狀態(tài)改成PETOS_IRQ_HANDLER_CALL_STATUS_DELETE。

       3）當(dāng)中斷處理主函數(shù)調(diào)用完該函數(shù)后，若發(fā)現(xiàn)該函數(shù)的句柄狀態(tài)已經(jīng)改變，則可得知該函數(shù)已經(jīng)在調(diào)用過程中將自己注銷。IrqHandler會在此時(shí)重寫中斷維護(hù)模塊API中注銷函數(shù)，在這里將該函數(shù)句柄刪除。

       4）重新鏈接中斷函數(shù)列表和定位tmpIrqHandler找到下一個(gè)中斷處理函數(shù)句柄。

       中斷擴(kuò)展模塊－系統(tǒng)時(shí)鐘模塊和定時(shí)觸發(fā)函數(shù):

       中斷機(jī)制保證了PetOS對硬件請求的實(shí)時(shí)性響應(yīng)，而對于軟件請求的實(shí)時(shí)性則由PetOS系統(tǒng)時(shí)鐘/定時(shí)觸發(fā)函數(shù)模塊完成。該模塊主要完成了兩部分工作：

       ·系統(tǒng)時(shí)鐘模塊：系統(tǒng)每隔固定的時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間中斷。利用前面的中斷機(jī)制，我們可以模擬一個(gè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的，不斷執(zhí)行的任務(wù)。具體方法為將這段代碼注冊為系統(tǒng)時(shí)鐘的中斷處理函數(shù)。

       ·定時(shí)觸發(fā)函數(shù)模塊：為了滿足嵌入式電子產(chǎn)品應(yīng)用程序的需要，基于系統(tǒng)時(shí)鐘模塊，PetOS供了定時(shí)觸發(fā)函數(shù)功能。用戶可以向系統(tǒng)注冊一個(gè)定時(shí)觸發(fā)函數(shù)，并指定其被調(diào)用的時(shí)間。操作系統(tǒng)通過預(yù)先注冊好的一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘中斷處理函數(shù)來檢查是否有需要的定時(shí)觸發(fā)函數(shù)到期，并執(zhí)行調(diào)度。

       PetOS的任務(wù)調(diào)度是以事件為單位，不可能出現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問同一段代碼的情況。因此，大部分代碼不需要考慮重入的問題。

       4 PetOS的不足及改進(jìn)方向

       目前的調(diào)度算法還是存在任務(wù)優(yōu)先級跨度太大的問題，高優(yōu)先級的任務(wù)可能直接導(dǎo)至低優(yōu)先級任務(wù)的“餓死”。

       PetOS不可搶占的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，各任務(wù)無獨(dú)立棧導(dǎo)致調(diào)度不夠靈活，如果一個(gè)任務(wù)的消息處理時(shí)間很長，則其他任務(wù)的消息響應(yīng)時(shí)間也會很長，使得整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性顯得較差并且無法移植阻塞式的應(yīng)到到該系統(tǒng)中。

       PetOS并沒有啟用多態(tài)運(yùn)行模式，而是簡單的將OS core和其他應(yīng)用程序的地址空間復(fù)用。這樣雖然簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是帶來了OS core的地址空間可能被其他應(yīng)用程序直接訪問的隱患。

       因此調(diào)度算法及內(nèi)存管理將是PetOS改進(jìn)的方向。

       5 結(jié)束語

       增加了優(yōu)先級調(diào)度、任務(wù)管理、中斷管理、系統(tǒng)時(shí)鐘管理后，PetOS由一個(gè)只適用于簡單應(yīng)用的微型操作系統(tǒng)蛻變?yōu)榭蓱?yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的小型操作系統(tǒng)。由于PetOS的模塊化結(jié)構(gòu)和開放性的代碼，使得各方案的擴(kuò)展性和可維護(hù)性大大加強(qiáng)，大大縮短了方案開發(fā)、產(chǎn)品維護(hù)的周期和成本。目前，基于ARM922硬件平臺，PetOS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MP4/學(xué)習(xí)機(jī)等嵌入式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的方案，并已有成熟的產(chǎn)品上市，證明了PetOS的市場潛力。隨著新的應(yīng)用需求，PetOS會得到進(jìn)一步完善，在嵌入式領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

       參考文獻(xiàn)：

       [1] UCLA Networked and Embedded Systems Lab. PALOS. http://sourceforge.net/projects/palos/ 2002

       [2] JeanJ .Labrosse. uC /OS-11-源碼公開的實(shí)時(shí)嵌人式操作系統(tǒng)[M]，中國電力出版社，2001

       [3] 杜春雷．ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M] 清華大學(xué)出版社， 2003

       [4] 沈勝慶．嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核研究[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2006，2-2：72-74