引 言

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，由于是多任務(wù)的并發(fā)運(yùn)行，所以在進(jìn)入一些臨界區(qū)時(shí)為了保證多任務(wù)的正常運(yùn)行要關(guān)中斷。而最大關(guān)中斷時(shí)間是衡量一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，因?yàn)橥獠康妮斎胍话愣际峭ㄟ^(guò)中斷方式來(lái)通知系統(tǒng)的，系統(tǒng)如果關(guān)中斷時(shí)間長(zhǎng)，必然不能及時(shí)接收中斷，對(duì)中斷的及時(shí)處理就更談不上。

更重要的是，有些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)關(guān)中斷的時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求。例如，在電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置中，對(duì)電流A/D采樣時(shí)，為了保障對(duì)采樣值的正確處理，定時(shí)中斷的每一個(gè)周期時(shí)間都必須及時(shí)采樣。試想，如果定時(shí)器設(shè)置的周期時(shí)間到，定時(shí)器中斷產(chǎn)生，但恰恰這時(shí)系統(tǒng)處于關(guān)中斷時(shí)間，系統(tǒng)就不能及時(shí)進(jìn)行采樣;而當(dāng)關(guān)中斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)一定的值時(shí)，系統(tǒng)再來(lái)進(jìn)行采樣，依據(jù)此采樣值的計(jì)算結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)。所以，在這樣的場(chǎng)合中，一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的最大關(guān)中斷時(shí)間就成為該種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能否成功運(yùn)用的最關(guān)鍵的因素。

筆者將以μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核為例，通過(guò)對(duì)μC/OS-II的改進(jìn)，向讀者描述一種縮短實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中斷關(guān)閉時(shí)間的方法。之所以選擇μC/OS-II，一是因?yàn)樽x者容易獲得相關(guān)代碼，國(guó)內(nèi)很多讀者也對(duì)μC/OS-II有一定程度的了解;二是因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合運(yùn)用于低檔嵌入式處理器，關(guān)中斷時(shí)間的問(wèn)題更加突出。低檔嵌入式處理器的處理速度慢，在關(guān)中斷時(shí)間里處理相同的軟件代碼，花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，相對(duì)地延長(zhǎng)了關(guān)中斷時(shí)間，這時(shí)盡量從軟件著手解決關(guān)中斷時(shí)間的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志法概述

μC/OS-II中在進(jìn)入臨界區(qū)之前為什么要關(guān)閉中斷?通過(guò)相關(guān)資料[1]的介紹和對(duì)μC/OS-II源代碼的理解，我們知道在μC/OS-II中一旦不關(guān)中斷就進(jìn)入臨界區(qū)。當(dāng)某一任務(wù)進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，若恰好發(fā)生中斷，那么這時(shí)有可能引起兩種對(duì)臨界區(qū)操作的沖突：①在中斷服務(wù)程序中要操作同一臨界區(qū);②因?yàn)橹袛嗟漠a(chǎn)生而引起任務(wù)的轉(zhuǎn)換，在新的任務(wù)中要操作同一臨界區(qū)。所以μC/OS-II中在進(jìn)入臨界區(qū)前要關(guān)閉中斷。

針對(duì)μC/OS-II關(guān)中斷機(jī)制的分析，考慮用一種系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志法來(lái)解決這樣的臨界沖突。在μC/OS-II增加一個(gè)全局布爾變量來(lái)表示系統(tǒng)的狀態(tài)，稱為"系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志"。

對(duì)于μC/OS-II中所有可以在中斷中出現(xiàn)又要對(duì)臨界區(qū)操作的函數(shù)，可以在進(jìn)入臨界區(qū)之前先查詢系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志。如果目前系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，則首先將該標(biāo)志置位，表示系統(tǒng)進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，然后該函數(shù)就可以操作臨界區(qū);而如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，則將該函數(shù)對(duì)臨界區(qū)操作的部分單獨(dú)形成一個(gè)函數(shù)，放到一個(gè)系統(tǒng)循環(huán)函數(shù)數(shù)組里，等待系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度時(shí)執(zhí)行。

對(duì)于μC/OS-II中所有不可能在中斷程序中出現(xiàn)而又要對(duì)臨界區(qū)操作的函數(shù)，因?yàn)楹瘮?shù)不在中斷中出現(xiàn)，所以函數(shù)開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志肯定不會(huì)在臨界操作狀態(tài)，因此可在函數(shù)操作臨界區(qū)時(shí)直接將系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志置位，表示系統(tǒng)進(jìn)入臨界操作狀態(tài)，然后即可進(jìn)行臨界區(qū)的操作。

系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志的復(fù)位在任務(wù)調(diào)度函數(shù)中執(zhí)行。當(dāng)然對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志的設(shè)置是要在關(guān)中斷的條件下執(zhí)行的，這應(yīng)該算是系統(tǒng)新的一個(gè)臨界區(qū)。

2 該方法的具體實(shí)現(xiàn)

下面以對(duì)μC/OS-II v2.61代碼的改進(jìn)為例，具體講解該方法的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched的修改

修改后的任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched的偽代碼如下：

因?yàn)樵谌蝿?wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched中要執(zhí)行循環(huán)函數(shù)數(shù)組里的函數(shù)，同時(shí)還要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位，退出系統(tǒng)臨界操作狀態(tài)，所以修改過(guò)的函數(shù)在遇到以下3種情況--該函數(shù)是在中斷里調(diào)用時(shí)、在任務(wù)調(diào)度鎖定時(shí)、當(dāng)前任務(wù)就是最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)，都將執(zhí)行系統(tǒng)循環(huán)函數(shù)數(shù)組里的函數(shù)，并將系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位，而原任務(wù)調(diào)度函數(shù)在遇到以上3種情況時(shí)是直接返回的。

2.2 增加任務(wù)重調(diào)度函數(shù)OS_Resched

任務(wù)重調(diào)度函數(shù)OS_Resched的偽代碼如下：

任務(wù)重調(diào)度函數(shù)在以下兩處執(zhí)行：

(1) 當(dāng)μC/OS-II將當(dāng)前任務(wù)控制塊壓棧，而還沒(méi)有將最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的控制塊彈出棧時(shí)執(zhí)行，因?yàn)檫@時(shí)在系統(tǒng)循環(huán)函數(shù)數(shù)組里有可能還有未執(zhí)行的函數(shù)，這些函數(shù)的執(zhí)行有可能導(dǎo)致另外一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的就緒。

(2) 在中斷服務(wù)函數(shù)的末尾執(zhí)行。如果μC/OS-II中斷返回函數(shù)返回的是一個(gè)真值，則表示需要執(zhí)行重調(diào)度函數(shù)，這時(shí)就要執(zhí)行重調(diào)度函數(shù)。

2.3 中斷返回函數(shù)OSIntExit的修改

中斷返回函數(shù)OSIntExit的偽代碼如下：

原函數(shù)的返回是void，而改動(dòng)后的函數(shù)返回一個(gè)布爾量，用來(lái)表示下一步是要正常中斷返回(返回布爾假值時(shí))，還是要調(diào)用任務(wù)重調(diào)度函數(shù)(返回布爾真值時(shí));同時(shí)，改動(dòng)后還增加對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志的查詢，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在臨界操作狀態(tài)，則直接返回布爾假值。所以在中斷服務(wù)程序的最后不是象原來(lái)那樣簡(jiǎn)單的調(diào)用，而是調(diào)用后根據(jù)返回值作相應(yīng)的處理。

2.4 信號(hào)量發(fā)送函數(shù)OSSemPost的修改

這里將以信號(hào)量發(fā)送函數(shù)OSSemPost為例來(lái)描述對(duì)可在中斷中調(diào)用而又會(huì)對(duì)臨界區(qū)操作的函數(shù)的改進(jìn)。對(duì)于μC/OS-II中的其他函數(shù)，改進(jìn)的方法大致相同。

信號(hào)量發(fā)送函數(shù)OSSemPost的偽代碼如下：

在這里，改動(dòng)后的函數(shù)將先判斷系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志，如果系統(tǒng)在臨界區(qū)操作狀態(tài)，則將臨界操作作為另一個(gè)函數(shù)放入全局函數(shù)循環(huán)數(shù)組，等待在任務(wù)調(diào)度時(shí)執(zhí)行，如果不在臨界區(qū)操作狀態(tài)，則關(guān)中斷后將系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志置位，然后開(kāi)中斷進(jìn)行原函數(shù)的那些臨界操作和任務(wù)調(diào)度。

2.5 信號(hào)量等待函數(shù)OSSemPend的修改

同理，這里以信號(hào)量等待函數(shù)OSSemPend為例來(lái)描述對(duì)不能在中斷中調(diào)用而又會(huì)對(duì)臨界區(qū)操作的函數(shù)的改進(jìn)。

信號(hào)量等待函數(shù)OSSemPend的偽代碼如下：

在這里，改動(dòng)后的函數(shù)先將系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志置位，然后進(jìn)行原來(lái)函數(shù)的臨界區(qū)操作。需要說(shuō)明的是，對(duì)于函數(shù)因?yàn)榈却盘?hào)量時(shí)間到、還未獲取信號(hào)量而返回的情況的處理機(jī)制，改動(dòng)后的函數(shù)與原函數(shù)不同，改動(dòng)后的函數(shù)將OS_EventTO函數(shù)放到時(shí)間節(jié)拍函數(shù)OSTimeTick中執(zhí)行，并將OS_EventTO函數(shù)的輸入?yún)?shù)由原來(lái)的事件pevent指針，改為任務(wù)控制塊指針ptcb，因?yàn)樵诤瘮?shù)OSTimeTick中是按照任務(wù)控制塊指針操作的。

結(jié)語(yǔ)

上述方法已經(jīng)在筆者的一個(gè)電力微機(jī)繼電保護(hù)項(xiàng)目中成功運(yùn)用，該方面的實(shí)現(xiàn)，提高了μC/OS-II的性能，擴(kuò)大了μC/OS-II的應(yīng)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(shuō)明的是，雖然筆者是以μC/OS-II為例來(lái)介紹的，但該方法的原理可以運(yùn)用到其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，筆者正在將該方法在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTEMS上實(shí)現(xiàn)。從這個(gè)意義上講，該方法的提出也對(duì)那些致力于編寫自己的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式軟件工程師具有借鑒意義。