|
1 問(wèn)題的提出 目前，市場(chǎng)上占有率比較高的商業(yè)RTOS有VxWorks/PSOS、QNX、 LynxOS、VRTX,、Windows CE等。這些為數眾多的RTOS絕大多數都是多任務(wù)實(shí)時(shí)微內核的結構，采用的是基于優(yōu)先級的可搶占式調度策略。系統為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先權，調度程序保證當前運行的進(jìn)程是優(yōu)先權最高的進(jìn)程。但是，有時(shí)候會(huì )出現一種比較奇怪的現象：由于多進(jìn)程共享資源，具有最高優(yōu)先權的進(jìn)程被低優(yōu)先級進(jìn)程阻塞，反而使具有中優(yōu)先級的進(jìn)程先于高優(yōu)先級的進(jìn)程執行，導致系統的崩潰。這就是所謂的優(yōu)先級反轉（Priority Inversion）。 2 優(yōu)先級反轉 RTOS普遍具有2個(gè)特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性和多任務(wù)。實(shí)時(shí)是指系統的響應時(shí)間必須在規定的時(shí)間內，超出這個(gè)時(shí)間限制將會(huì )使系統出現致命的錯誤；同時(shí)，實(shí)時(shí)性還要求對時(shí)間要求非常急迫的任務(wù)要先于對時(shí)間不是很緊急的任務(wù)執行。正是由于這2個(gè)原因，RTOS的進(jìn)程調度普遍采用的是基于優(yōu)先級的可搶占式PBP（Priority Based Preemptive）的調度策略。多任務(wù)是嵌入式系統的內在要求。如今的嵌入式系統普遍要求具有多任務(wù)并發(fā)執行的能力，因此RTOS中也必須提供多任務(wù)并發(fā)執行的支持。由于多任務(wù)并發(fā)，必然會(huì )導致多個(gè)任務(wù)共享資源。如有2個(gè)任務(wù)task1和task2并發(fā)執行，都需要向打印機輸出結果。由于只有1臺打印機，所以在某個(gè)時(shí)間段內只能有1個(gè)任務(wù)，如task1占有打印機并向打印機輸出，而這時(shí)另一個(gè)任務(wù)task2處于等待狀態(tài)。當task1輸出完畢后，task2由等待轉為就緒，當RTOS再次調度它時(shí)，方可占有打印機向打印機輸出。試想如果不采取這種方式，不對打印機這種共享資源加以控制，而讓task1和task2同時(shí)向打印機輸出，這時(shí)候打印機打印的結果誰(shuí)也看不懂，是一堆亂七八糟的東西。因此，大多數的RTOS采用了一種稱(chēng)作信號量（semaphore）的機制來(lái)實(shí)現對共享資源的管理。任何一個(gè)想使用臨界資源（如打印機等共享資源）的進(jìn)程在進(jìn)入臨界區（如task1或task2中訪(fǎng)問(wèn)臨界資源的代碼）之前必須擁有使用臨界資源的信號量，否則不可以執行臨界區代碼。假設系統中有3個(gè)任務(wù)，分別為task1、task2和task3。task1的優(yōu)先權高于task2，而task2的優(yōu)先權高于task3。恰在此時(shí)task1和task2 因某種原因被阻塞，這時(shí)候系統調度task3執行。task3執行一段時(shí)間后，task1被喚醒。由于采取的是PBP的調度策略，因此task1搶占task3的CPU, task1執行。task1執行一段時(shí)間后要進(jìn)入臨界區，但此時(shí)task3占有此臨界資源的信號量。因此task1被阻塞，處于等待狀態(tài)，等待task3釋放此信號量。經(jīng)過(guò)這么一段時(shí)間后，task2此時(shí)此刻處于就緒狀態(tài)。因此系統調度task2執行。如果task3在task2的執行期間一直沒(méi)有能夠被調度執行的話(huà)，那task1和task3將一直等到task2執行完后才能執行，task1更要等到task3釋放它所把持的信號量才能執行；而這段時(shí)間完全有可能超出task1的Deadline，使得task1崩潰。當系統看到有高優(yōu)先級的任務(wù)崩潰時(shí)候，系統認為此時(shí)有重大事故發(fā)生，為了挽救系統，看門(mén)狗電路起作用，系統可能被自動(dòng)復位。從上面的分析可以看到，導致系統崩潰的原因是由于優(yōu)先級高的任務(wù)task1要獲取被低優(yōu)先級任務(wù)task2占有的臨界資源而被task2阻塞，而具有中優(yōu)先級的任務(wù)task2搶占task3的CPU,從而導致task2先于task1執行。這時(shí)候系統便出現了優(yōu)先級反轉的情況，如圖1所示。 3 優(yōu)先級反轉的解決方法 目前解決優(yōu)先級反轉有許多種方法。其中普遍使用的有2種方法：一種被稱(chēng)作優(yōu)先級繼承（priority inheritance）；另一種被稱(chēng)作優(yōu)先級極限（priority ceilings）。 在優(yōu)先級繼承方案中，當高優(yōu)先級任務(wù)在等待低優(yōu)先級的任務(wù)占有的信號量時(shí)，讓低優(yōu)先級任務(wù)繼承高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級，即把低優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先權提高到高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級；當低優(yōu)先級任務(wù)釋放高優(yōu)先級任務(wù)等待的信號量時(shí)，立即把其優(yōu)先權降低到原來(lái)的優(yōu)先權。采用這種方法可以有效地解決上面所述的優(yōu)先權反轉的問(wèn)題。當高優(yōu)先級任務(wù)task1想要進(jìn)入臨界區時(shí)，由于低優(yōu)先級任務(wù)task3占有這個(gè)臨界資源的信號量，導致task1被阻塞。這時(shí)候，系統把task3的優(yōu)先權升到task1的優(yōu)先權，此時(shí)優(yōu)先權處于task1和task3之間的任務(wù)task2，即使處于就緒狀態(tài)也不可以被調度執行，因為此時(shí)task3的優(yōu)先權已經(jīng)高于task2，所以task3此時(shí)被調度執行。當task3釋放task1需要的信號量時(shí)，系統立即把task3的優(yōu)先權降到原來(lái)的高度，來(lái)保證task1和task2正常有序執行。整個(gè)情況如圖2所示。目前，有許多RTOS是采用這種方法來(lái)防止優(yōu)先級反轉的，如大家比較熟悉的業(yè)界有名的WindRiver公司的VXWORKS。 在優(yōu)先權極限方案中，系統把每一個(gè)臨界資源與1個(gè)極限優(yōu)先權相聯(lián)系。這個(gè)極限優(yōu)先權等于系統此時(shí)最高優(yōu)先權加 1。當1個(gè)任務(wù)進(jìn)入臨界區時(shí)，系統便把這個(gè)極限優(yōu)先權傳遞給這個(gè)任務(wù)，使得這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先權最高；當這個(gè)任務(wù)退出臨界區后，系統立即把它的優(yōu)先權恢復正常，從而保證系統不會(huì )出現優(yōu)先權反轉的情況。如上例中，當task3進(jìn)入臨界區時(shí)，立即把它的優(yōu)先權升高到極限優(yōu)先權，保證task3此時(shí)能盡快退出臨界區，進(jìn)而釋放其占有的信號量。當高優(yōu)先級任務(wù)task1執行的時(shí)候就不會(huì )出現其等待低優(yōu)先級任務(wù)task3釋放信號量而被阻塞的情況，從而保證不會(huì )出現上面所說(shuō)的優(yōu)先級反轉。采用這種方案的另一個(gè)有利之處，是僅僅通過(guò)改變某個(gè)臨界資源的優(yōu)先級就可以使多個(gè)任務(wù)共享這個(gè)臨界資源，如下所示。 void TaskA(void){ ... SetTaskPriority(RES_X_PRIO); // 訪(fǎng)問(wèn)共享資源 X SetTaskPriority(TASK_A_PRIO); ... } 以上就RTOS中優(yōu)先級反轉問(wèn)題出現的原因以及解決方法進(jìn)行了詳細的說(shuō)明。21世紀將是嵌入式系統的時(shí)代。從事嵌入式系統設計的人員深入了解RTOS的原理和內部潛在的問(wèn)題，如優(yōu)先級反轉等，將有助于開(kāi)發(fā)出更加可靠的產(chǎn)品。 |
