uC/OS-II内核超时等待机制的分析

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1uC/OS-II是著名的源码公开的实时内核[1],是专为嵌入式应用设计的,可用于各类8位16位和32位单片机或DSP。现在有很多使用者正在或已经将其移植到各种类型的芯片。因为源码公开,uC/OS-II也经常被作为嵌入式实时内核的教材,为专业人员提供了学习实时内核的难得机会。在实际使用中不管基于何种操作系统平台,应用程序经常会等待一些系统资源,如信号量,事件标志,消息等。等待类型共有三种:(1)如果不能马上获取,悬挂等待;(2)不管是否能获取资源,马上返回,不会等待;(3)如果不能马上获取资源,将进行有限时间的等待,即超时等待。

2超时等待机制的基本原理

应用程序通过操作系统提供的系统调用接口获取资源时,在系统调用的入口参数里可以指定超时等待的最大时间,通常以毫秒为单位,内核会将其转化为系统的时钟滴嗒数(tick)。一般内核都会执行以下流程:

(1)如果资源能马上获取,系统调用将成功返回。

(2)如果资源不能马上获取,内核将设置一定时器进行计时,把当前任务悬挂在该资源的等待队列上,该任务从就绪表中删除,并进行调度,让出CPU的使用权。

(3)如果在指定的时间内资源变得可以获取了,定时器应马上停止计时,该任务从等待队列里摘下并且重新回到就绪表中等候调度。

(4)如果定时器到时,任务应该从等待队列里摘下并且重新回到就绪表中,系统调用返回超时信息。

内核在每一个tick都会做一系列的工作,包括任务的延迟以及超时等待资源的定时器等相关的检查操作。一般来讲,在指定的时间间隔以外到达的资源和信号被认为是无效的,这也是指定超时时间间隔的原意所在,有些对时间要求苛刻的场合就有这种需求,内核必须处理好这方面的问题。

如果任务T由于超时进入就绪态,到T获得执行权之前,仍没有获取到资源R,将运行语句(5)处的条件代码,由函数OSEventTo()可以看出,此时任务T才被从等待表中删除,最后返回超时状态。

通过分析开放源码的nucleus内核,发现nucleus在超时到期时执行定时器的一个回调函数,此回调函数马上将等待任务从等待链表中删除,将返回状态定性为超时。这样在任务获得执行权前,即使资源到达,该任务也不会得到。这样一来,uC/OS-II内核只要在时钟节拍函数里增加代码将延时期满的任务从相应的资源等待列表中删除即可。这一工作很容易实现,内核任务控制块有指向所等待的信号量,消息等事件控制块的指针,事件控制块里有相应的等待表。对于uC/OS-II新引进的事件标志组[2],任务控制块有指向相应的等待节点的指针,等待节点有指向相应的事件标志组控制块的指针,删除一个等待节点也能实现。

3结论

uC/OS-II其它资源的等待机制,比如消息以及包括2.5.2版引入的事件标志组的实现都存在上述的超时时间不严格的问题,这是由中断节拍函数OSTimeTick()决定的,该函数只负责将任务移入就绪表,而不处理相应的等待表。

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