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          嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的分析

          作者:杭州??低晹?shù)字技術有限公司 郭海訓 時間:2005-03-14 來源: 收藏

          2004年10月A版

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/4608.htm

          摘要: 本文介紹了嵌入式系統(tǒng)任務調(diào)度優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的一個實例。通過實例的討論對嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)有一個更深入的了解,有助于在編程中避免此類問題的發(fā)生。
          關鍵詞: 嵌入式實時系統(tǒng);VxWorks;多任務;優(yōu)先級反轉(zhuǎn)

          引言
          VxWorks是美國Wind River(風河)公司的一個實時操作系統(tǒng),具有良好的可靠性和實時性。該系統(tǒng)采用基于優(yōu)先搶占式調(diào)度策略,系統(tǒng)為每一個任務分配一個優(yōu)先級,調(diào)度程序保證當前運行的是優(yōu)先權最高的任務。但在實際開發(fā)中,由于任務間資源共享,信號量及中斷的引入,往往會出現(xiàn)高優(yōu)先級任務被低優(yōu)先級任務長時間阻塞或阻塞一段不確定時間的現(xiàn)象,即所謂優(yōu)先級反轉(zhuǎn)(Priority Inversion)。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)會造成任務調(diào)度的不確定性,嚴重時可能導致系統(tǒng)崩潰。本文在參考文獻的基礎上,結合實際項目開發(fā)過程中遇到的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題,對造成優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的原因及其解決方法進行了探討。

          優(yōu)先級反轉(zhuǎn)一般性描述
          優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生在一個高優(yōu)先級的任務被迫等待一段不確定時間,圖1中3個任務分別為task1、task2和task3,其優(yōu)先級由高到低。從圖1可知,當task3占有由信號量(semaphore)保護的某種共享資源而進入臨界區(qū)執(zhí)行時,task1就緒,由于系統(tǒng)的搶占式調(diào)度策略,出現(xiàn)task1搶占task3執(zhí)行。task1執(zhí)行一段時間后也進入臨界區(qū),但此時task3仍占有此臨界資源的信號量,task1被阻塞,等待task3釋放此信號量。在經(jīng)過這么一段時間后,task2已處于就緒狀態(tài),于是系統(tǒng)調(diào)度task2執(zhí)行。如果task3在task2的執(zhí)行期間一直沒有能夠被調(diào)度執(zhí)行的話,那task1和task3將一直等到task2執(zhí)行完后才能執(zhí)行,task1更要等到task3釋放它所占有的信號量才能執(zhí)行;如果這段時間超出task1的最后期限,task1的調(diào)度出現(xiàn)了問題,此時輕則任務被長時間阻塞,重則造成系統(tǒng)崩潰。
          優(yōu)先級反轉(zhuǎn)原因可歸納為:高優(yōu)先級的任務task1由于要等待被低優(yōu)先級任務task3占有的臨界資源而被task2阻塞,而此時具有中優(yōu)先級的任務task2搶占了task3的CPU時間,導致task2先于task1執(zhí)行。此類優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的解決方法大致有2種:一種被稱作優(yōu)先級繼承(inheritance);另一種被稱作優(yōu)先級極限(ceilings)。下面介紹本文所遇到的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。


          圖1  優(yōu)先級反轉(zhuǎn)示意圖

          優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的實例
          上節(jié)對一般意義上的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行了描述,本節(jié)涉及的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)則較上述更為復雜,更具有隱蔽性。
          本文采用的嵌入式微處理器為SAMSUNG公司的S3C2510, CPU核為arm940T。應項目要求任務task1和task2中分別進行調(diào)用微秒級和毫秒級的定時器功能函數(shù),由于S3C2510處理器有5個32位定時器,因此只利用其中的兩個即可。這里,ms級定時器實現(xiàn)的代碼架構如下:
          1) 中斷處理函數(shù):
          LOCAL void Timer1_Int_Handle(void)
          {
          *S3C2510_TIC |= S3C2510_TIC_T1;/*清除中斷*/
          ...
          semGive(TelID4_Stop);/*釋放二進制信號量*/
          ...
          }
          2) 毫秒級定時函數(shù)
          void ms_Delay(int ms)
          {     
          ...
          semTake(TelID4_Stop,WAIT_FOREVER);
          ...
          }
          3) 時鐘初始化函數(shù)
          void msTimer_Init()
          {
          TelID4_Stop=semCreate (SEM_Q_FI FO,SEM_EMPTY);/*初始化二進制信號量*/
          assert(TelID4_Stop);
          ...
          }
          us級定時器功能實現(xiàn)的代碼與上面類似,這里不再給出相應的代碼。函數(shù)調(diào)用說明:先進行初始化,然后任務可隨意調(diào)用定時功能函數(shù)。當某個任務調(diào)用定時功能函數(shù)時,該任務被信號量阻塞,同時定時器開始進行減一計數(shù),當計數(shù)器減到0時,會產(chǎn)生一個中斷請求信號,此時系統(tǒng)會調(diào)用中斷處理函數(shù),在中斷處理函數(shù)時將信號量釋放,此時信號量變的可用,任務繼續(xù)執(zhí)行。
          當兩個不同優(yōu)先級任務task1,task2(設優(yōu)先級分別為93和94)同時運行,并分別調(diào)用us和ms級定時功能函數(shù)時,優(yōu)先級反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了,task1會被長時間阻塞。其中,task1和task2的調(diào)用如下:
          void task1(void)
          {
          ...
          FOREVER
          {
          ...
          us_Delay();
          ...
          taskDelay(4);
          }
          void Task2(void)
          {
          ...
          FOREVER
          {
          ...
          ms_Delay();
          ...
          }
          上述兩個任務之間資源是獨立的,但兩個任務在一起運行時,高優(yōu)先級任務task1在經(jīng)過一段時間后會被長期阻塞。
          解決上述問題的方法比較簡單,只要調(diào)整task1的任務優(yōu)先級低于task2,這里選為95,則兩個任務可長時間并行運行。
          由于加入了中斷和信號量,使系統(tǒng)任務調(diào)度變的復雜,從而導致兩個原本看似獨立的任務task1和task2,不能正常并行運行。造成此類現(xiàn)象的原因分析極其復雜,可視為是系統(tǒng)應用的一個盲點,但此類問題可通過總結規(guī)律而有效繞開。例如在上述問題中,若task1調(diào)用的定時函數(shù)的定時時間小于task2中的定時時間,則相應的任務優(yōu)先級也應設有task1Priority< task2Priority,這樣高優(yōu)先級任務就不會被阻塞。

          結語
          本文結合實際例子,對VxWorks中優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題進行了探討,并對此類問題的解決方法進行了描述。本文的探討將使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員更深入了解優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。

          參考文獻:
          1. 劉輝、孟凡榮、席景科,‘嵌入式實時系統(tǒng)的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題’,單片機嵌入式系統(tǒng)應用,2003.3.
          2、黨紀紅、李東明、袁贛南,‘VxWorks實時內(nèi)核調(diào)度的研究分析’,應用科技,2003.2.



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