嵌入式操作系統(tǒng)中的搶占式調(diào)度策略
摘要:絕大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用搶占式的調(diào)度方式。本文主要講述采用搶占式方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的嵌入式操作系統(tǒng)的調(diào)度策略和原理。關(guān)鍵詞:搶占式 多任務(wù) 中斷
引 言
通過(guò)逐行閱讀順序程序的源代碼,不難說(shuō)出程序會(huì)向處理器提出什么樣的特定操作,并且也能說(shuō)出這些操作的順序。實(shí)際上,如果能夠知道對(duì)一個(gè)順序程序的所有輸入,那就不僅能精確預(yù)測(cè)到處理器所執(zhí)行的一系列機(jī)器碼,還能計(jì)算出系統(tǒng)最終的輸出值或系統(tǒng)行為。這樣,無(wú)論這個(gè)程序運(yùn)行的速度快慢,都能夠得到一個(gè)唯一的結(jié)果。
然而,在現(xiàn)實(shí)中順序操作程序是很少見(jiàn)的。譬如,在嵌入式系統(tǒng)C程序中的main()函數(shù),盡管它看上去是順序的,但是這種看似順序執(zhí)行的程序最終會(huì)被系統(tǒng)的硬件中斷,在某個(gè)時(shí)刻所打斷。當(dāng)外圍設(shè)備中斷產(chǎn)生后,相應(yīng)的中斷服務(wù)程序會(huì)運(yùn)行,從而取代當(dāng)前main()函數(shù)的執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程就可以稱為搶占。
搶占意味著main()函數(shù)將以比預(yù)期慢的速度執(zhí)行。這是因?yàn)樗鼒?zhí)行速度的快慢與系統(tǒng)中斷的數(shù)量、中斷程序的執(zhí)行時(shí)間以及用于保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)的操作時(shí)間有著直接的關(guān)系。實(shí)質(zhì)上,大部分的處理器周期都被中斷服務(wù)程序給占用了。除非對(duì)中斷服務(wù)程序有時(shí)間的限制,否則,這些中斷自身并不會(huì)改變系統(tǒng)其它部分的輸出,它們只是減慢了程序的執(zhí)行。
由于絕大多數(shù)中斷服務(wù)程序處理來(lái)自于系統(tǒng)設(shè)備的中斷,這樣它們的執(zhí)行必將會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)狀態(tài)的改變。這種狀態(tài)的改變最終會(huì)給后續(xù)指令主序列中的系統(tǒng)行為帶來(lái)變化,指令主序列則必須做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)來(lái)避免狀態(tài)改變帶來(lái)的影響。此時(shí),不但難以預(yù)測(cè)處理器將執(zhí)行的操作,同時(shí)也難以知道何時(shí),并且以何種順序來(lái)執(zhí)行這些操作。
絕大多數(shù)處理器支持中斷的嵌套。一個(gè)打斷程序順序執(zhí)行的中斷服務(wù)程序可以被另一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)程序所打斷。當(dāng)該高優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后,最初的中斷可以在指令主序列之前得以繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)每一個(gè)搶占過(guò)程發(fā)生時(shí),處理器標(biāo)志位、當(dāng)前PC指針以及關(guān)鍵寄存器的內(nèi)容都應(yīng)該被保存起來(lái)(通常在RAM中),這稱為被搶占程序的上下文(context)。這些信息會(huì)在該程序進(jìn)入運(yùn)行態(tài)之前恢復(fù)到處理器中。在中斷事件產(chǎn)生時(shí),大多數(shù)處理器會(huì)自動(dòng)保存這些值,剩下的就是必須執(zhí)行中斷服務(wù)程序的入口和出口代碼了。
1 偽并行
一個(gè)近似的技術(shù)就是使處理器像對(duì)待處理硬件事件一樣處理軟件事件。為了達(dá)到這個(gè)目的,需要將系統(tǒng)劃分為一系列獨(dú)立的事件來(lái)處理,即任務(wù)。搶占式調(diào)度方式使這個(gè)想法成為可能。該調(diào)度方式管理著系統(tǒng)軟件對(duì)處理器的使用,并且使系統(tǒng)能夠保證對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的事件得以有效的執(zhí)行。
每個(gè)任務(wù)就是一個(gè)順序執(zhí)行的函數(shù),并常常以一個(gè)無(wú)限循環(huán)作為結(jié)束。這樣,就好像任務(wù)獨(dú)占了處理器;同時(shí),每個(gè)任務(wù)都被賦予特定的工作,如讀傳感器、掃描鍵盤(pán)、記錄一些數(shù)據(jù)或者刷新顯示等。每個(gè)任務(wù)都擁有一個(gè)相應(yīng)的優(yōu)先級(jí),并在RAM中有屬于自己的堆棧空間。總的來(lái)說(shuō),這一系列任務(wù)一起完成了整個(gè)系統(tǒng)所要完成的功能。
當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí),調(diào)度器所做的操作與處理器處理中斷的操作一致。首先,將當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的上下文保存到內(nèi)存中某個(gè)地方,然后開(kāi)始執(zhí)行新的任務(wù)。如果這個(gè)新任務(wù)在先前已經(jīng)運(yùn)行了,那它必有一個(gè)保存的上下文,那么,則需要恢復(fù)這些內(nèi)容使其繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行完后,調(diào)度器將保存其最終的上下文,并且恢復(fù)被搶占任務(wù)的運(yùn)行,就好像該低優(yōu)先級(jí)任務(wù)從沒(méi)被打斷過(guò)。
經(jīng)過(guò)這樣劃分,每個(gè)任務(wù)函數(shù)可以被寫(xiě)成獨(dú)占處理器的形式。在實(shí)際應(yīng)用中,往往大多數(shù)系統(tǒng)中只有一個(gè)處理器。所以在某個(gè)特定時(shí)刻應(yīng)該只有一個(gè)任務(wù)或中斷在執(zhí)行。當(dāng)沒(méi)有中斷發(fā)生時(shí),調(diào)
[1] [2]