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在實時操作系統中，由于是多任務的并發運行，所以在進入一些臨界區時為了保證多任務的正常運行要關中斷。而最大關中斷時間是衡量一個實時操作系統性能的重要指標，因為外部的輸入一般都是通過中斷方式來通知系統的，系統如果關中斷時間長，必然不能及時接收中斷，對中斷的及時處理就更談不上。 更重要的是，有些應用場合對關中斷的時間有非常嚴格的要求。例如，在電力系統微機繼電保護裝置中，對電流A／D采樣時，為了保障對采樣值的正確處理，定時中斷的每一個周期時間都必須及時采樣。試想，如果定時器設置的周期時間到，定時器中斷產生，但恰恰這時系統處于關中斷時間，系統就不能及時進行采樣；而當關中斷時間過長，超過一定的值時，系統再來進行采樣，依據此采樣值的計算結果就會出錯。所以，在這樣的場合中，一種實時操作系統的最大關中斷時間就成為該種實時操作系統能否成功運用的最關鍵的因素。 筆者將以μC／OS-II實時內核為例，通過對μC／OS-II的改進，向讀者描述一種縮短實時操作系統中斷關閉時間的方法。之所以選擇μC／OS-II，一是因為讀者容易獲得相關代碼，國內很多讀者也對μC／OS-II有一定程度的了解；二是因為其自身結構簡單，適合運用于低檔嵌入式處理器，關中斷時間的問題更加突出。低檔嵌入式處理器的處理速度慢，在關中斷時間里處理相同的軟件代碼，花費的時間更長，相對地延長了關中斷時間，這時盡量從軟件著手解決關中斷時間的問題。 1 系統狀態標志法概述 μC／OS-II中在進入臨界區之前為什么要關閉中斷?通過相關資料的介紹和對μC/OS-II源代碼的理解，我們知道在μC/OS-II中一旦不關中斷就進入臨界區。當某一任務進入臨界區時，若恰好發生中斷，那么這時有可能引起兩種對臨界區操作的沖突：①在中斷服務程序中要操作同一臨界區；②因為中斷的產生而引起任務的轉換，在新的任務中要操作同一臨界區。所以μC/OS-II中在進入臨界區前要關閉中斷。 針對μC／OS-II關中斷機制的分析，考慮用一種系統狀態標志法來解決這樣的臨界沖突。在μC／OS-II增加一個全局布爾變量來表示系統的狀態，稱為"系統狀態標志"。 對于μC／OS-II中所有可以在中斷中出現又要對臨界區操作的函數，可以在進入臨界區之前先查詢系統狀態標志。如果目前系統沒有進入臨界操作狀態，則首先將該標志置位，表示系統進入臨界操作狀態，然后該函數就可以操作臨界區；而如果發現系統已進入臨界操作狀態，則將該函數對臨界區操作的部分單獨形成一個函數，放到一個系統循環函數數組里，等待系統任務調度時執行。 對于μC／OS-II中所有不可能在中斷程序中出現而又要對臨界區操作的函數，因為函數不在中斷中出現，所以函數開始時系統狀態標志肯定不會在臨界操作狀態，因此可在函數操作臨界區時直接將系統狀態標志置位，表示系統進入臨界操作狀態，然后即可進行臨界區的操作。 系統狀態標志的復位在任務調度函數中執行。當然對系統狀態標志的設置是要在關中斷的條件下執行的，這應該算是系統新的一個臨界區。 2 該方法的具體實現 下面以對μC/OS-II v2．61代碼的改進為例，具體講解該方法的具體實現。 2.1 任務調度函數OS_Sched的修改 修改后的任務調度函數OS_Sched的偽代碼如下： 因為在任務調度函數OS_Sched中要執行循環函數數組里的函數，同時還要對系統狀態標志復位，退出系統臨界操作狀態，所以修改過的函數在遇到以下3種情況--該函數是在中斷里調用時、在任務調度鎖定時、當前任務就是最高優先級任務時，都將執行系統循環函數數組里的函數，并將系統狀態標志復位，而原任務調度函數在遇到以上3種情況時是直接返回的。 2.2 增加任務重調度函數OS_Resched 任務重調度函數OS_Resched的偽代碼如下： 任務重調度函數在以下兩處執行： （1） 當μC/OS-II將當前任務控制塊壓棧，而還沒有將最高優先級任務的控制塊彈出棧時執行，因為這時在系統循環函數數組里有可能還有未執行的函數，這些函數的執行有可能導致另外一個更高優先級任務的就緒。 （2） 在中斷服務函數的末尾執行。如果μC/OS-II中斷返回函數返回的是一個真值，則表示需要執行重調度函數，這時就要執行重調度函數。 2.3 中斷返回函數OSIntExit的修改 中斷返回函數OSIntExit的偽代碼如下： 原函數的返回是void，而改動后的函數返回一個布爾量，用來表示下一步是要正常中斷返回（返回布爾假值時），還是要調用任務重調度函數（返回布爾真值時）；同時，改動后還增加對系統狀態標志的查詢，如果發現系統在臨界操作狀態，則直接返回布爾假值。所以在中斷服務程序的最后不是象原來那樣簡單的調用，而是調用后根據返回值作相應的處理。 2.4 信號量發送函數OSSemPost的修改 這里將以信號量發送函數OSSemPost為例來描述對可在中斷中調用而又會對臨界區操作的函數的改進。對于μC/OS-II中的其他函數，改進的方法大致相同。 信號量發送函數OSSemPost的偽代碼如下： 在這里，改動后的函數將先判斷系統狀態標志，如果系統在臨界區操作狀態，則將臨界操作作為另一個函數放入全局函數循環數組，等待在任務調度時執行，如果不在臨界區操作狀態，則關中斷后將系統狀態標志置位，然后開中斷進行原函數的那些臨界操作和任務調度。 2.5 信號量等待函數OSSemPend的修改 同理，這里以信號量等待函數OSSemPend為例來描述對不能在中斷中調用而又會對臨界區操作的函數的改進。 信號量等待函數OSSemPend的偽代碼如下： 在這里，改動后的函數先將系統狀態標志置位，然后進行原來函數的臨界區操作。需要說明的是，對于函數因為等待信號量時間到、還未獲取信號量而返回的情況的處理機制，改動后的函數與原函數不同，改動后的函數將OS_EventTO函數放到時間節拍函數OSTimeTick中執行，并將OS_EventTO函數的輸入參數由原來的事件pevent指針，改為任務控制塊指針ptcb，因為在函數OSTimeTick中是按照任務控制塊指針操作的。 結語 上述方法已經在筆者的一個電力微機繼電保護項目中成功運用，該方面的實現，提高了μC/OS-II的性能，擴大了μC/OS-II的應用范圍，使得單邊及工程師能更好的利用μC/OS-II提高嵌入式軟件編程水平。特別要說明的是，雖然筆者是以μC/OS-II為例來介紹的，但該方法的原理可以運用到其他實時操作系統上，筆者正在將該方法在實時操作系統RTEMS上實現。從這個意義上講，該方法的提出也對那些致力于編寫自己的實時操作系統的嵌入式軟件工程師具有借鑒意義。 |
