對(duì)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)超時(shí)等待機(jī)制缺陷的分析

摘要:該文從源代碼角度分析了μC/OS-Ⅱ的超時(shí)等待機(jī)制，指出了其缺陷，即在一定情況下超時(shí)時(shí)間間隔不準(zhǔn)確，在時(shí)間間隔到期的情況下，內(nèi)核仍有可能返回成功，與此同時(shí)指出了其改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞:超時(shí)等待;資源;任務(wù)

中圖分類號(hào):TP316文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)33-9267-02

Analysis of the Flaw in Waiting-timeout Mechanism inμC/OS-Ⅱ

XU Jing-feng

(Nanjing Institute of Politics， Nanjing 210003， China)

Abstract: This paper analyses the the mechanism of waiting-timeout in μC/OS-Ⅱ. It shows waiting-timeout of the system is not correct in some cases. A method to improve the mechanism is also provided.

Key words: waiting-timeout; resource; task

μC/OS-Ⅱ是一個(gè)著名的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類單片機(jī)上。因?yàn)槠湓创a公開，為專業(yè)人員提供了難得的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。本文將根據(jù)其源代碼對(duì)其超時(shí)等待機(jī)制進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。

1 超時(shí)等待機(jī)制的基本原理

在實(shí)際使用中，應(yīng)用程序經(jīng)常會(huì)等待一些系統(tǒng)資源，如信號(hào)量，事件標(biāo)志，消息等。這些等待類型分為三種:

1) 如果不能馬上獲取，則掛起等待;

2) 不管是否能獲取資源，馬上返回，不再等待;

3) 如果不能馬上獲取資源，將進(jìn)行有限時(shí)間的等待，即超時(shí)等待。

一般操作系統(tǒng)都會(huì)執(zhí)行以下流程:

1) 如果資源能馬上獲取，系統(tǒng)調(diào)用將成功返回。

2) 如果資源不能馬上獲取，操作系統(tǒng)將設(shè)置一定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)前任務(wù)被掛起并進(jìn)入該資源的等待隊(duì)列中，同時(shí)該任務(wù)從就緒表中刪除，并讓出CPU的使用權(quán)。

3) 如果在指定的時(shí)間內(nèi)資源可以獲取了，定時(shí)器馬上停止計(jì)時(shí)，該任務(wù)從等待隊(duì)列中刪除并重新回到就緒表中等候調(diào)度。

4) 如果定時(shí)器到時(shí)，該任務(wù)從等待隊(duì)列中刪除并且重新返回就緒表，系統(tǒng)調(diào)用返回超時(shí)信息。

操作系統(tǒng)通常會(huì)提供任務(wù)調(diào)用等待時(shí)間的入口參數(shù)，一般以毫秒為單位，內(nèi)部則會(huì)將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的時(shí)鐘滴嗒數(shù)tick。每一個(gè)tick都會(huì)做一系列的工作，包括任務(wù)的延遲以及超時(shí)等待資源的定時(shí)器等相關(guān)的檢查操作。一般來講，在指定的時(shí)間間隔以外到達(dá)的資源和信號(hào)被認(rèn)為是無效的，這也是指定超時(shí)時(shí)間間隔的原意所在，有些對(duì)時(shí)間要求苛刻的場(chǎng)合就有這種需求，操作系統(tǒng)必須處理好這方面的問題。

2 μC/OS-Ⅱ超時(shí)等待機(jī)制的缺陷及改進(jìn)

下面我們通過分析μC/OS-Ⅱ的源代碼來看一下它的超過等待機(jī)制。

假設(shè)某任務(wù)T超時(shí)等待信號(hào)量資源R，其時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick的流程主要如下:

時(shí)鐘中斷服務(wù)程序在每一個(gè)時(shí)鐘中斷需要的情況下對(duì)任務(wù)的延遲進(jìn)行減1操作，如果任務(wù)T的定時(shí)時(shí)間間隔到期(延遲被減為0)，并且任務(wù)T沒有附加的掛起操作，任務(wù)T就會(huì)進(jìn)入就緒表。然而該函數(shù)卻沒有進(jìn)一步將任務(wù)T移出資源R的等待隊(duì)列，也就是說此時(shí)任務(wù)T具有兩個(gè)狀態(tài)，這兩個(gè)狀態(tài)從本質(zhì)上講是矛盾的。雖然任務(wù)T此時(shí)處于就緒狀態(tài)，但未必馬上就能獲得執(zhí)行權(quán)，這取決于任務(wù)T的優(yōu)先級(jí)。在任務(wù)T沒有被調(diào)度執(zhí)行之前的這段時(shí)間內(nèi)，假設(shè)資源R到達(dá)了，比如一個(gè)中斷服務(wù)程序調(diào)用了OSSemPost函數(shù)，會(huì)是什么情況呢?

我們?cè)賮矸治隽硪粋€(gè)很重要的函數(shù)OSSemPost的流程，其代碼如下:

void OSSemPend(OS_EVENT *pevent，INT16U timeout，INT8U *err)

{

OS_ENTER_CRITICAL();

if(pevent->OSEventType!=OS_EVENT_TYPE_SEM){

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_ERR_EVENT_TYPE;

}

if(pevent->OSEventCnt>0){

pevent->OSEventCnt--;

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR;

}else if(OSIntNesting>0){

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_ERR_PEND_ISR;

}else{

OSTCBCur->OSTCBStat|=OS_STAT_SEM;

OSTCBCur->OSTCBDly=timeout;

OSEventTaskWait(pevent);

OS_EXIT_CRITICAL();

OSSched();

OS_ENTER_CRITICAL();

if(OSTCBCur->OSTCBStatOS_STAT_SEM){ //(1)

OSEventTo(pevent);

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_TIMEOUT;

}else{ // (2)

OSTCBCur->OSTCBEventPtr=(OS_EVENT*0);

OS_EXIT_CRITICAL();

*err=OS_NO_ERR;}}}

void OSEventTo(OS_EVENT *pevent)

{if((pevent->OSEventTbl[OSTCBCur->OSTCBY]=~OSTCBCur->OSTCBBitX)==0)

{pevent->OSEventGrp=~OSTCBBitY;}

OSTCBCur->OSTCBStat=OS_STAT_RDY;

v OSTCBCur->OSTCBEventPtr=(OS_EVENT*0);}

在資源R的等待隊(duì)列中有等待任務(wù)的情況下，等待隊(duì)列中最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)將從等待隊(duì)列中刪除，并且進(jìn)入就緒表。如果等待隊(duì)列中最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就是前面講的等待超時(shí)的任務(wù)T，這相當(dāng)于任務(wù)T又一次進(jìn)入就緒表，不過只有一次從等待隊(duì)列中刪除。任務(wù)T獲取了資源，只不過是在超時(shí)時(shí)間以外獲取的。任務(wù)T獲得執(zhí)行權(quán)以后從調(diào)度程序返回將運(yùn)行函數(shù)OSSemPend語句(2)處的條件代碼，而此時(shí)語句(1)處的條件不成立，任務(wù)將到資源隊(duì)列中等待。如果任務(wù)T由于超時(shí)進(jìn)入就緒態(tài)，到T獲得執(zhí)行權(quán)之前，仍沒有獲取到資源R，將運(yùn)行語句(1)處的條件代碼，由函數(shù)OSEventTo()可以看出，直到此時(shí)任務(wù)T才被從等待隊(duì)列中刪除，最后返回超時(shí)狀態(tài)。

通過分析開放源碼的nucleus內(nèi)核，發(fā)現(xiàn)nucleus在超時(shí)到期時(shí)執(zhí)行定時(shí)器的一個(gè)回調(diào)函數(shù)，此回調(diào)函數(shù)馬上將等待任務(wù)從等待隊(duì)列中刪除，將返回狀態(tài)定性為超時(shí)。這樣在任務(wù)獲得執(zhí)行權(quán)前，即使資源到達(dá)，該任務(wù)也不會(huì)得到。我們?nèi)粢倪M(jìn)，只需在μC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍函數(shù)里增加代碼將延時(shí)期滿的任務(wù)從相應(yīng)的資源等待隊(duì)列中刪除即可。這一改進(jìn)工作很容易實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核任務(wù)控制塊有指向所等待的信號(hào)量、消息等事件控制塊的指針，事件控制塊里有相應(yīng)的等待表。對(duì)于uC/OS-II新引進(jìn)的事件標(biāo)志組，任務(wù)控制塊有指向相應(yīng)的等待節(jié)點(diǎn)的指針，而等待節(jié)點(diǎn)有指向相應(yīng)事件標(biāo)志組控制塊的指針，這樣刪除一個(gè)等待節(jié)點(diǎn)也能進(jìn)行改進(jìn)。

3 結(jié)論

μC/OS-Ⅱ的超時(shí)等待機(jī)制，存在著上述的超時(shí)時(shí)間不嚴(yán)格的問題，這是由中斷節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick()造成的，該函數(shù)只負(fù)責(zé)將任務(wù)移入就緒表，而不處理相應(yīng)的等待隊(duì)列，對(duì)此應(yīng)通過對(duì)等待隊(duì)列操作的修改加以改進(jìn)。

參考文獻(xiàn):

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