嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)切換方法對比分析
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在Linux系統(tǒng)中，任務(wù)的上下文切換和調(diào)度比較復(fù)雜。Linux的上下文切換功能是由context_switch()函數(shù)完成的。代碼如下：
context_switch()完成了2個工作：
①切換虛擬內(nèi)存映射，即負(fù)責(zé)把虛擬內(nèi)存從被切換下來的進(jìn)程映射到新進(jìn)程中，該功能由函數(shù)switcn_mm()實現(xiàn)。
②切換進(jìn)程的寄存器狀態(tài)，即負(fù)責(zé)從一個進(jìn)程的處理器狀態(tài)切換到新進(jìn)程的處理器狀態(tài)，該功能由函數(shù)switcn_to()實現(xiàn)。
在多任務(wù)系統(tǒng)中，都會提供一個系統(tǒng)函數(shù)來進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間切換，綜合來說，它們有兩種進(jìn)程(任務(wù))切換方式：
①由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在當(dāng)前進(jìn)程(任務(wù))因為不能獲得必需的資源而立即被堵塞時，就由進(jìn)程(任務(wù))本身直接調(diào)用進(jìn)程(任務(wù))切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))間調(diào)度。在Linux中可以直接調(diào)用schedule()函數(shù)來實現(xiàn)。
②延遲調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。此方式是把當(dāng)前進(jìn)程(任務(wù))設(shè)置一調(diào)度標(biāo)志而以延遲方式調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程(任務(wù))切換。在Linux系統(tǒng)中，總是在恢復(fù)用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行之前，檢查這一調(diào)度標(biāo)志，在這里標(biāo)志是need_resched，如果有這一標(biāo)志，就調(diào)用調(diào)度函數(shù)進(jìn)行進(jìn)程切換。
此種情況主要包括以下幾種：
①當(dāng)前進(jìn)程用完了它的CPU時間片，由scheduler_tick()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
②當(dāng)一個被喚醒進(jìn)程的優(yōu)先級比當(dāng)前進(jìn)程優(yōu)先級高時，由try_to_wake_up()函數(shù)完成schedule()的延遲調(diào)用。
③當(dāng)發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler()時。在這些情況中，主要由于系統(tǒng)調(diào)用或中斷而進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，或者當(dāng)前進(jìn)程本來在內(nèi)核態(tài)時，返回用戶態(tài)時發(fā)生的。
在VxWorks系統(tǒng)中，任務(wù)的優(yōu)先級為0～255。任務(wù)有4種狀態(tài)：就緒態(tài)、懸置態(tài)、休眠態(tài)和延遲態(tài)，如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/150419.htm
內(nèi)核缺省調(diào)度機(jī)制為基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度。采用這種機(jī)制，系統(tǒng)把處理機(jī)分配給優(yōu)先級最高的進(jìn)程，使之執(zhí)行。一旦出現(xiàn)優(yōu)先級更高的進(jìn)程時，該任務(wù)被剝奪CPU使用權(quán)，而去執(zhí)行優(yōu)先級更高的任務(wù)。而在相同優(yōu)先級的多個任務(wù)之間，采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制。采用這種機(jī)制，當(dāng)一個任務(wù)到達(dá)時，它被安排在輪轉(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，則在等待屬于自己的時間片的到來，直到任務(wù)完成。
在VxWorks系統(tǒng)中，對于優(yōu)先級相同的任務(wù)，如果狀態(tài)為Ready，則可以通過時間片輪轉(zhuǎn)方式公平享有CPU資源。輪轉(zhuǎn)調(diào)度法給處于就緒態(tài)的每個同優(yōu)先級的任務(wù)分配一個相同的時間片，該時間片的大小由系統(tǒng)調(diào)用KernelTimeSlice決定。
在Windows CE系統(tǒng)中，Windows CE 3．0之后，系統(tǒng)支持的優(yōu)先級增長到256個，0優(yōu)先級級別最高，255優(yōu)先級級別最低。0～247的優(yōu)先級屬于實時性優(yōu)先級，248～255的優(yōu)先級一般分配給普通應(yīng)用程序。Windows CE．NET采用基于動態(tài)優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)機(jī)制，越重要的任務(wù)，優(yōu)先級越高。Windows CE．NET在任務(wù)調(diào)度中采用任務(wù)優(yōu)先級制、優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整機(jī)制和搶占式調(diào)度，都是為了最大限度地滿足系統(tǒng)的實時性要求。對于一個優(yōu)先級只有一個任務(wù)的簡單系統(tǒng)內(nèi)核，上述的3種調(diào)度足以滿足要求，但對于Windows CE．NET這樣復(fù)雜、高性能的多任務(wù)實時內(nèi)核，由于多個任務(wù)允許公用一個優(yōu)先級，則相同優(yōu)先級的任務(wù)要采用Windows CE．NET提供的時間片輪轉(zhuǎn)法實現(xiàn)。具體實現(xiàn)如圖4所示。
在沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒時，相同優(yōu)先級的任務(wù)依照就緒的先后次序執(zhí)行。執(zhí)行一定的時間片后，無論任務(wù)完成與否，均轉(zhuǎn)入下一任務(wù)運行。未運行完的任務(wù)釋放處理器的控制權(quán)后轉(zhuǎn)入就緒隊列的末尾，依次往復(fù)。這樣的輪轉(zhuǎn)策略保證了具有相同優(yōu)先級的任務(wù)平等地享有控制權(quán)的處理權(quán)。在Windows CE系統(tǒng)中，一般設(shè)置的時間片大小為10 ms。
3 總結(jié)
本文對幾種操作系統(tǒng)的內(nèi)核的主要部分(任務(wù)切換與調(diào)度)進(jìn)行了分析比較，便于理解其實時性、可靠性等方面的優(yōu)缺點，為以后進(jìn)行系統(tǒng)的移植和開發(fā)打下基礎(chǔ)。由于筆者時間和精力有限，而且目前的操作系統(tǒng)很多，本文只分析了4種系統(tǒng)，還不夠完善。未來可以對其他更多的實時操作系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。
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