μC／OS—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中任務(wù)延時(shí)的研究與改進(jìn)

摘要：通過介紹μC／0S—II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)延時(shí)功能，分析了系統(tǒng)中的任務(wù)延時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)任務(wù)延時(shí)占用處理器時(shí)間與任務(wù)總數(shù)有關(guān)和掃描各個(gè)任務(wù)占用大量處理器時(shí)間的問題，對(duì)操作系統(tǒng)中的任務(wù)延時(shí)機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的操作系統(tǒng)在基于第二代Cortex—M3內(nèi)核的LPC1768處理器上測(cè)試，通過軟件仿真，得出此方法可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，降低系統(tǒng)的額外開銷。
關(guān)鍵詞：μC／OS—II；任務(wù)延時(shí)；Cortex—M3；軟件仿真

引言
μC／OS—II是一種源代碼公開、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。絕大部分代碼是用C語(yǔ)言編寫的，便于移植到各種內(nèi)核上。μC／OS—II使用時(shí)鐘節(jié)拍完成任務(wù)的延時(shí)功能，每個(gè)時(shí)鐘對(duì)所有的任務(wù)控制塊進(jìn)行掃描。時(shí)鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負(fù)荷就越重，而且會(huì)隨著任務(wù)總數(shù)的增加而增加。
本文詳細(xì)分析μC／OS—II中的任務(wù)延時(shí)功能，對(duì)任務(wù)延時(shí)作適當(dāng)改進(jìn)。新創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)延時(shí)鏈表，把需要延時(shí)的任務(wù)鏈接到延時(shí)列表中，這樣每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍只對(duì)延時(shí)任務(wù)的控制塊進(jìn)行掃描即可，由此降低了系統(tǒng)負(fù)荷，而且系統(tǒng)的開銷不會(huì)隨著任務(wù)總數(shù)的增加而增加，而僅僅與同時(shí)延時(shí)的任務(wù)數(shù)有關(guān)。

1 μC／OS—II任務(wù)延時(shí)
μC／OS—II系統(tǒng)中任務(wù)延時(shí)是時(shí)間管理功能的主要部分，而在μC／OS—II 2．81及以后的版本中，增加了軟件定時(shí)器功能。不管是任務(wù)延時(shí)還是軟件定時(shí)器，都需要一個(gè)硬件產(chǎn)生一個(gè)周期中斷，也就是時(shí)鐘節(jié)拍。
μC／OS—II系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍的頻率一般在10～100 Hz之間，時(shí)鐘節(jié)拍率越高，系統(tǒng)的額外負(fù)荷就越重，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。任務(wù)延時(shí)是在時(shí)鐘節(jié)拍中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的，時(shí)鐘節(jié)拍中斷函數(shù)調(diào)用時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()，此函數(shù)的工作主要是掃描每一個(gè)任務(wù)控制塊中的時(shí)間延時(shí)項(xiàng)OSTCBDly，完成任務(wù)的延時(shí)。由于OSTimeTick()要對(duì)每個(gè)任務(wù)都進(jìn)行一遍同樣的工作，因此它的運(yùn)行時(shí)間和任務(wù)數(shù)的多少成正比。如果任務(wù)數(shù)比較多的話(現(xiàn)在μC／OS—II可以支持256個(gè)任務(wù)，而基于Cortex-M3內(nèi)核可以支持1024個(gè)任務(wù))，函數(shù)OSTimeTick()占用大量的系統(tǒng)時(shí)間。
本文使用的操作系統(tǒng)版本為μC／OS—II 2．86，此版本中與任務(wù)延時(shí)相關(guān)的函數(shù)包括：
①與任務(wù)延時(shí)設(shè)置相關(guān)的函數(shù)——任務(wù)延時(shí)函數(shù)OSTimeDly()與OSTimeDlyHMSM()，位于time．c文件中，用于任務(wù)自身調(diào)用，無(wú)條件的掛起自己延時(shí)一段時(shí)間；請(qǐng)求資源函數(shù)OS_FlagBlock()(請(qǐng)求事件標(biāo)志)、OSMboxPend()(請(qǐng)求郵箱)、OSMutexPend()(請(qǐng)求互斥量)、OSQPend()(請(qǐng)求消息隊(duì)列)、OSSemPend()(請(qǐng)求信號(hào)量)等，當(dāng)資源請(qǐng)求不成功時(shí)，任務(wù)延時(shí)掛起；還有一個(gè)掛起其他任務(wù)的函數(shù)OSTaskResume()，但沒有掛起其他函數(shù)一段時(shí)間的函數(shù)。
②與任務(wù)恢復(fù)有關(guān)的函數(shù)——恢復(fù)任務(wù)延時(shí)函數(shù)OSTimeDlyResume()，恢復(fù)因資源不滿足而掛起任務(wù)的函數(shù)OS_EventTaskRdy()、OS_Fla-gTaskRdy()，把等待列表中的占用位清除，清任務(wù)延時(shí)值；任務(wù)刪除函數(shù)OSTaskDel()、任務(wù)恢復(fù)函數(shù)OSTaskResume()等。
③時(shí)鐘節(jié)拍處理函數(shù)OSTimeTick()，用于處理任務(wù)延時(shí)。

2 任務(wù)延時(shí)的改進(jìn)
首先在uCOS_II．H頭文件中定義任務(wù)延時(shí)鏈表OSTCBDlyList，延時(shí)任務(wù)總數(shù)變量OSTCBDlyNum，由于記錄延時(shí)任務(wù)數(shù)。設(shè)置任務(wù)延時(shí)，首先把任務(wù)從任務(wù)鏈表中刪除，然后加入都任務(wù)延時(shí)鏈表OSTCBDlyList中，最后OSTCBDlyNum加1；延時(shí)結(jié)束或任務(wù)恢復(fù)時(shí)，任務(wù)控制塊從任務(wù)延時(shí)鏈表中刪除，加入任務(wù)鏈表；刪除任務(wù)時(shí)，首先判斷任務(wù)是否處于延時(shí)中，再?zèng)Q定從哪個(gè)鏈表中刪除。
2．1 修改與任務(wù)延時(shí)設(shè)置相關(guān)的函數(shù)
與任務(wù)延時(shí)設(shè)置相關(guān)函數(shù)中，在其代碼OSTCBCur->OSTCBDly=ticks(或timeout)后面加入延時(shí)設(shè)定函數(shù)函數(shù)OSTCBDlySet()，如OSTimeDly()函數(shù)修改成如下形式：

函數(shù)OSTCBDlySet()的形參為需要任務(wù)延時(shí)的控制塊，函數(shù)的偽代碼如下所示：

2．2 從任務(wù)延時(shí)鏈表中刪除任務(wù)控制塊
當(dāng)任務(wù)延時(shí)完成、任務(wù)延時(shí)恢復(fù)、任務(wù)恢復(fù)、任務(wù)刪除時(shí)，需要把任務(wù)從任務(wù)延時(shí)鏈表中刪除。使用函數(shù)OSTCBDlyDel()，此函數(shù)無(wú)返回，形參有兩個(gè)：第一個(gè)為任務(wù)控制塊指針，第二個(gè)為操作類型opt，函數(shù)原型為void OSTCBDlyDel(OS_TCB*ptcb，INT8U opt)。opt的取值為：OS_Dly_OPT_NONE(正常執(zhí)行，從任務(wù)延時(shí)鏈表刪除，加入任務(wù)鏈表)，OS_Dly_OPT_DEL(把任務(wù)從任務(wù)延時(shí)鏈表刪除，OSTaskDel()函數(shù)使用)。函數(shù)OSTCBDlyDel的流程如圖1所示。

在函數(shù)OSTimeDlyResume()、OS_EventTaskRdy()、OS_FlagTaskRdy()以及OSTaskResume()中，在其代碼ptcb->OSTCBDly=0后面(下一行)加入0STCBDlyDel(ptcb，OS_Dly_OPT_NONE)。然后在時(shí)鐘節(jié)拍處理函數(shù)OSTime Tick()中作適當(dāng)修改，修改后的偽代碼如下：

對(duì)于任務(wù)刪除函數(shù)OSTCBDlyDel()，首先判斷任務(wù)控制塊中的任務(wù)延時(shí)值是否為0，如果不等于0，調(diào)用函數(shù)OSTCBDlyDel(ptcb，OS_Dly_ OPT_DEL)，把任務(wù)從任務(wù)延時(shí)鏈表中刪除；如果等于0，把任務(wù)從任務(wù)鏈表中刪除。最后，把任務(wù)控制塊回收到空閑任務(wù)鏈表中。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
3．1 測(cè)試環(huán)境
本次實(shí)驗(yàn)使用軟件開發(fā)環(huán)境Keil4，把μC／OS—II操作系統(tǒng)移植到基于Cortex—M3內(nèi)核的LPC1768處理器上。對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS—II 2．86進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真測(cè)試。
ARM Cortex—M3內(nèi)核采用3級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的稍微低性能的第三條總線，還包含一個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。LPC1700系列微控制器主要用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用，最高工作頻率可達(dá)100 MHz。內(nèi)部有高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器、64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)外設(shè)包括以太網(wǎng)MAC、USB主機(jī)／從機(jī)／OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個(gè)UART、2條CAN通道、2個(gè)SSP控制器、SPI接口、3個(gè)I2C接口、2輸入和2輸出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電機(jī)控制PWM、正交編碼器接口、4個(gè)通用定時(shí)器、6輸出的通用PWM、帶獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC等眾多功能，方便系統(tǒng)的開發(fā)，節(jié)約成本。
本次測(cè)試為：在μC／OS—II中創(chuàng)建25個(gè)用戶任務(wù)，其中的10個(gè)任務(wù)延時(shí)一段時(shí)間(for循環(huán)延時(shí))，并發(fā)送信號(hào)量，已激活等待此信號(hào)量的任務(wù)，而后調(diào)用函數(shù)OSTimeDly()，任務(wù)延時(shí)。而另外15個(gè)任務(wù)無(wú)限期等待另外幾個(gè)任務(wù)的信號(hào)量。Keil4的軟件仿真中，LPC1768的外部時(shí)鐘設(shè)定為22．1184 MHz。
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
下面通過Keil4軟件仿真中的Performance Analyzer功能，觀察μC／OS—II原操作系統(tǒng)與改進(jìn)后的操作中函數(shù)OSTime Tick()的運(yùn)行時(shí)間。性能測(cè)評(píng)圖如圖2、圖3所示。

可以看出，改進(jìn)后OSTimeTick()函數(shù)的系統(tǒng)占用率只有原先的50％，當(dāng)然在實(shí)際使用環(huán)境中，改進(jìn)后OSTimeTick()函數(shù)的系統(tǒng)占用率與系統(tǒng)中延時(shí)任務(wù)的多少、系統(tǒng)的運(yùn)行速度等因素有關(guān)，不可能降低這么多，至少?gòu)睦碚撋吓c仿真測(cè)試中可以驗(yàn)證此方法可以降低系統(tǒng)的額外開銷，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

結(jié)語(yǔ)
隨著技術(shù)的進(jìn)步，處理器芯片的內(nèi)存不斷增大，運(yùn)行速度不斷提高，而且應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)需要運(yùn)行越來(lái)越多的任務(wù)，時(shí)鐘節(jié)拍處理函數(shù)將占用大量的處理器時(shí)間，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。通過本文對(duì)原操作系統(tǒng)中任務(wù)延時(shí)機(jī)制的改進(jìn)與優(yōu)化，使時(shí)鐘節(jié)拍處理函數(shù)的運(yùn)行時(shí)間僅與同時(shí)延時(shí)的任務(wù)數(shù)有關(guān)。通過Keil4開發(fā)環(huán)境下的軟件仿真可以看出，改進(jìn)后系統(tǒng)開銷大大降低。