uC/OS-II Windows下虛擬的問題

國內(nèi)用uC/OS-II的人很多，最近uC/OS-III也開源了，實在是廣大RTOS愛好者之福。我也曾經(jīng)用uC/OS-II開發(fā)過一些東西。當時是用uC/OS-II在windows平臺上的模擬。跑了一個“Hello World!!!”;大致感覺這種虛擬方式還不錯，能結(jié)合Visual C++這樣強悍的工具，或者Linux平臺下的gdb這樣的工具，對uC/OS-II的代碼做單步跟蹤;深入的了解RTOS內(nèi)核的執(zhí)行過程。我覺得非常的好。然而在我深入了解了RTOS內(nèi)核，了解了uC/OS-II在windows上的移植后，發(fā)現(xiàn)這種虛擬方式簡直是害人不淺……

那問題究竟在哪呢?首先 RTOS 區(qū)別于Windows、Linux、uCLinux這種系統(tǒng)，主要是其調(diào)度算法不同。使用的是Rate Monotonic(RM 單調(diào)速率)調(diào)度算法。這種算法的最大特點是基于優(yōu)先級別的時間分配，如果有一個高優(yōu)先級別任務不放棄對CPU的占有，那么連操作系統(tǒng)的內(nèi)核也得不到時間執(zhí)行。Windows、Linux下是絕對不會出現(xiàn)這種情況的。即使一個任務占了CPU 100%，用戶的操作只是反應慢了，還沒到什么都動不了的程度。

那uC/OS-II在Windows平臺上的移植，是怎么做得呢?uC/OS-II的任務采用Windows的線程實現(xiàn)，使用OSTaskCreate即是創(chuàng)建一個Windows的線程，入口是用戶指定的任務。那們這里就有一個問題，uC/OS-II更核心的OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL是怎么實現(xiàn)的?利用Windows里的二值信號量實現(xiàn)的。這個二值信號量只是用于進程內(nèi)部的，但可以用于同一個進程內(nèi)部的多個線程。那么上下文切換沒有什么實際性的內(nèi)容，只是調(diào)用Windows的API將高優(yōu)先級的任務恢復執(zhí)行(對Windows來講是一個線程)，而低優(yōu)先級的任務掛起。上下文內(nèi)容Windows會為RTOS保存。

系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍由Windows的多媒體時鐘提供，OSTickW32這個函數(shù)被當作一個獨立的線程運行。到時間了就執(zhí)行一次OSTickISR()。

DWORD WINAPI OSTickW32( LPVOID lpParameter )

{

OS_INIT_CRITICAL();

while(!OSTerminateTickW32)

{

OSTickISR();

#ifdef WIN_MM_TICK

if( WaitForSingleObject(OSTickEventHandle, 5000) == WAIT_TIMEOUT)

{

#ifdef OS_CPU_TRACE

OS_Printf(Error: MM OSTick Timeout!n);

#endif

}

ResetEvent(OSTickEventHandle);

#else

Sleep(1000/OS_TICKS_PER_SEC);

#endif

}

return 0;

}

任務調(diào)度雖然按照Windows的調(diào)度算法，但是通過定時執(zhí)行內(nèi)核代碼，基本上能保證RMS調(diào)度算法的初衷。

雖然Windows下虛擬的任務基本上滿足RMS調(diào)度的規(guī)則，然而仔細分析并不是那么回事情。首先，所有的線程優(yōu)先級別對Windows來講是一樣的。不會因為uC/OS-II給他個高優(yōu)先級別，他就能得到更多的執(zhí)行時間。如果uC/OS-II整個所在的虛擬進程在一個重負荷的環(huán)境下運行，不管什么低優(yōu)先級高優(yōu)先級任務，得到的執(zhí)行時間都是不確定的。 再次，uC/OS-II的任務基于Windows，全局臨界區(qū)域也是借用Windows的二值信號量實現(xiàn)的。通常，我們用全局臨界區(qū)域可以鎖住uC/OS-II的調(diào)度器和中斷系統(tǒng)。然而，我們不要忘了，uC/OS-II的任務和調(diào)度器鎖住了，并沒有鎖住Windows的調(diào)度器。它還是可以完成線程切換的。絲毫不影響Windows的線程切換。由于windows 的線程切換受uC/OS-II的支配，還好，這種情況不會出什么問題;但是反過來，如果禁止Windows的線程切換，并沒有通知uC/OS-II，那么就完蛋了。uC/OS-II強制Windows切換到某一任務，造成整個系統(tǒng)死鎖(抱死)。

這種情況復雜：舉個例子，A任務是一個低優(yōu)先級別的任務，正在調(diào)用一個Windows的IO函數(shù)，此IO是臨界IO，剛剛進入這個IO的臨界區(qū)域，還沒出來。時間片到了，uC/OS-II強制Windows切換到處于就緒態(tài)的B任務，B任務優(yōu)先級別比A高。很不幸，B也想調(diào)用相同的IO函數(shù)，也要進入相同的臨界區(qū)域，那么，我們來看，B線程得不到鎖，結(jié)果B死等A放鎖，這個是Windows層面的，對于uC/OS-II，它還認為B在執(zhí)行。而 A任務因為B任務在執(zhí)行，永久的等待，這個是uC/OS-II層面的，所以uC/OS-II也不會切換調(diào)度器讓B停止執(zhí)行，讓A執(zhí)行，以解開這個死鎖。即使該進程所有的線程都不執(zhí)行了，對于Windows來說，也是允許的。對于uC/OS-II來說，它永遠的在執(zhí)行B任務，而B任務在等一個他永遠也不可能得到的鎖。

調(diào)度由Windows核心完成，但IO操作還有一些實質(zhì)性的操作都必須調(diào)用Windows的API完成，如果這些API潛在的影響了Windows的調(diào)度，而又沒有讓uC/OS_II知道，結(jié)果就是模擬失敗。并且，這種情況要滿足特定的條件才能發(fā)生，現(xiàn)實中很不好調(diào)試，確定問題的位置。但解決的辦法也有，把所有Windows的API，任務中調(diào)用的API當作uC/OS-II的臨界區(qū)域，則不會發(fā)生死鎖。但這會產(chǎn)生巨大的模擬開銷。

相對于這種寄生模擬方式，skyeye、qemu等，更加的優(yōu)越，更接近實際。雖然他們也有自己的問題，但至少，不會出現(xiàn)以上兩個問題。所以，對于RTOS開發(fā)者來說，選擇合理的虛擬方式，對開發(fā)有巨大的影響。