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          嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的分析

          作者:杭州??低晹?shù)字技術(shù)有限公司 郭海訓(xùn) 時(shí)間:2005-03-14 來(lái)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(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的一個(gè)實(shí)例。通過(guò)實(shí)例的討論對(duì)嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)有一個(gè)更深入的了解,有助于在編程中避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。
          關(guān)鍵詞: 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng);VxWorks;多任務(wù);優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)

          引言
          VxWorks是美國(guó)Wind River(風(fēng)河)公司的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),具有良好的可靠性和實(shí)時(shí)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(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級(jí),調(diào)度程序保證當(dāng)前運(yùn)行的是優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)。但在實(shí)際開(kāi)發(fā)中,由于任務(wù)間資源共享,信號(hào)量及中斷的引入,往往會(huì)出現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間阻塞或阻塞一段不確定時(shí)間的現(xiàn)象,即所謂優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)(Priority Inversion)。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)會(huì)造成任務(wù)調(diào)度的不確定性,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。本文在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題,對(duì)造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的原因及其解決方法進(jìn)行了探討。

          優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)一般性描述
          優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生在一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被迫等待一段不確定時(shí)間,圖1中3個(gè)任務(wù)分別為task1、task2和task3,其優(yōu)先級(jí)由高到低。從圖1可知,當(dāng)task3占有由信號(hào)量(semaphore)保護(hù)的某種共享資源而進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行時(shí),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(shí)間后也進(jìn)入臨界區(qū),但此時(shí)task3仍占有此臨界資源的信號(hào)量,task1被阻塞,等待task3釋放此信號(hào)量。在經(jīng)過(guò)這么一段時(shí)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(méi)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(hào)量才能執(zhí)行;如果這段時(shí)間超出task1的最后期限,task1的調(diào)度出現(xiàn)了問(wèn)題,此時(shí)輕則任務(wù)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞,重則造成系統(tǒng)崩潰。
          優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)原因可歸納為:高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task1由于要等待被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task3占有的臨界資源而被task2阻塞,而此時(shí)具有中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task2搶占了task3的CPU時(shí)間,導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。此類(lèi)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的解決方法大致有2種:一種被稱(chēng)作優(yōu)先級(jí)繼承(inheritance);另一種被稱(chēng)作優(yōu)先級(jí)極限(ceilings)。下面介紹本文所遇到的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。


          圖1  優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)示意圖

          優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的實(shí)例
          上節(jié)對(duì)一般意義上的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了描述,本節(jié)涉及的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)則較上述更為復(fù)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(yīng)項(xiàng)目要求任務(wù)task1和task2中分別進(jìn)行調(diào)用微秒級(jí)和毫秒級(jí)的定時(shí)器功能函數(shù),由于S3C2510處理器有5個(gè)32位定時(shí)器,因此只利用其中的兩個(gè)即可。這里,ms級(jí)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的代碼架構(gòu)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(jìn)制信號(hào)量*/
          ...
          }
          2) 毫秒級(jí)定時(shí)函數(shù)
          void ms_Delay(int ms)
          {     
          ...
          semTake(TelID4_Stop,WAIT_FOREVER);
          ...
          }
          3) 時(shí)鐘初始化函數(shù)
          void msTimer_Init()
          {
          TelID4_Stop=semCreate (SEM_Q_FI FO,SEM_EMPTY);/*初始化二進(jìn)制信號(hào)量*/
          assert(TelID4_Stop);
          ...
          }
          us級(jí)定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)的代碼與上面類(lèi)似,這里不再給出相應(yīng)的代碼。函數(shù)調(diào)用說(shuō)明:先進(jìn)行初始化,然后任務(wù)可隨意調(diào)用定時(shí)功能函數(shù)。當(dāng)某個(gè)任務(wù)調(diào)用定時(shí)功能函數(shù)時(shí),該任務(wù)被信號(hào)量阻塞,同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始進(jìn)行減一計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào),此時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用中斷處理函數(shù),在中斷處理函數(shù)時(shí)將信號(hào)量釋放,此時(shí)信號(hào)量變的可用,任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
          當(dāng)兩個(gè)不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1,task2(設(shè)優(yōu)先級(jí)分別為93和94)同時(shí)運(yùn)行,并分別調(diào)用us和ms級(jí)定時(shí)功能函數(shù)時(shí),優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了,task1會(huì)被長(zhǎng)時(shí)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(gè)任務(wù)之間資源是獨(dú)立的,但兩個(gè)任務(wù)在一起運(yùn)行時(shí),高優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)被長(zhǎng)期阻塞。
          解決上述問(wèn)題的方法比較簡(jiǎn)單,只要調(diào)整task1的任務(wù)優(yōu)先級(jí)低于task2,這里選為95,則兩個(gè)任務(wù)可長(zhǎng)時(shí)間并行運(yùn)行。
          由于加入了中斷和信號(hào)量,使系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度變的復(fù)雜,從而導(dǎo)致兩個(gè)原本看似獨(dú)立的任務(wù)task1和task2,不能正常并行運(yùn)行。造成此類(lèi)現(xiàn)象的原因分析極其復(fù)雜,可視為是系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)盲點(diǎn),但此類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)總結(jié)規(guī)律而有效繞開(kāi)。例如在上述問(wèn)題中,若task1調(diào)用的定時(shí)函數(shù)的定時(shí)時(shí)間小于task2中的定時(shí)時(shí)間,則相應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)也應(yīng)設(shè)有task1Priority< task2Priority,這樣高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就不會(huì)被阻塞。

          結(jié)語(yǔ)
          本文結(jié)合實(shí)際例子,對(duì)VxWorks中優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行了探討,并對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的解決方法進(jìn)行了描述。本文的探討將使嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員更深入了解優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

          參考文獻(xiàn):
          1. 劉輝、孟凡榮、席景科,‘嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題’,單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2003.3.
          2、黨紀(jì)紅、李東明、袁贛南,‘VxWorks實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度的研究分析’,應(yīng)用科技,2003.2.



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