嵌入式實時操作系統(tǒng)中的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題如何引起的

在這篇文章中，小編將為大家?guī)砬度胧綄崟r操作系統(tǒng)中的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的相關(guān)報道。如果你對本文即將要講解的內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、什么是嵌入式操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)

嵌入式實時操作系統(tǒng)（Embedded Real-time Operation System，RTOS）。嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”。

當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結(jié)果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應(yīng)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運行的嵌入式操作系統(tǒng)。

注：在工業(yè)控制、 軍事設(shè)備、 航空航天等領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的響應(yīng)時間有苛刻的要求，這就需要使用實時系統(tǒng)。我們常常說的嵌入式操作系統(tǒng)都是嵌入式實時操作系統(tǒng)。比如μC/OS-II、eCOS和Linux、HOPEN OS。故對嵌入式實時操作系統(tǒng)的理解應(yīng)該建立在對嵌入式系統(tǒng)的理解之上加入對響應(yīng)時間的要求。

二、嵌入式實時操作系統(tǒng)中的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題

通常情況下，任務(wù)的優(yōu)先級是根據(jù)其重要性和緊急性來設(shè)定的。但是，在并發(fā)系統(tǒng)或多任務(wù)環(huán)境中，確實存在一種被稱為“優(yōu)先級反轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。

什么時候會遇到這種現(xiàn)象？解決資源爭用問題時。

死鎖預(yù)防是實時系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要因素。不幸的是,即使使用安全排除技術(shù),這可能也不是困難的終點。在解決資源爭用問題時,可能引入新的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)問題。

電電俠   能詳細解釋下優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的原理嗎？優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)的基本原理可以通過一個簡單的兩任務(wù)(A 和 B)系統(tǒng)的行為來解釋。

假設(shè)任務(wù)A 正在使用一個鎖定的資源,此時調(diào)度程序決定進行任務(wù)交換,新任務(wù)B希望使用 A 持有的資源。在檢查訪問機制時,發(fā)現(xiàn)資源不可用,因此任務(wù) B 掛起?；コ鈾C制按計劃執(zhí)行。但是如果 B的優(yōu)先級高于 A 呢? 結(jié)果仍然相同,B仍然被阻塞。結(jié)果是低優(yōu)先級的任務(wù) A 阻塞了高優(yōu)先級的任務(wù)B;在 A 釋放鎖定資源之前,B不能執(zhí)行。系統(tǒng)的行為表現(xiàn)得好像優(yōu)先級顛倒了一樣,即優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)。然而,這種行為正是使用互斥時所期望的,沒什么異常。

電電俠   （若有所思）在雙任務(wù)系統(tǒng)中,性能下降可能不是一個大問題。   但是看下圖的情況。

這是一個四任務(wù)系統(tǒng),由任務(wù) A、B、C和 D(按照優(yōu)先級順序)組成。系統(tǒng)還包括兩個共享資源 W 和 X。請注意,為了簡化對系統(tǒng)行為的解釋,做了以下假設(shè)。

(1)上下文切換(重新調(diào)度)僅在滴答(tick)時間發(fā)生。

(2)任務(wù)可以隨時掛起。

(3)任務(wù)可以隨時就緒。

一個運行時場景

上圖示例的一個運行時場景,如下圖所示。在t0時刻,任務(wù) D正在執(zhí)行,其他任務(wù)處于掛起狀態(tài)。在下一個滴答中斷(t1時刻)發(fā)生之前,D鎖定資源W。

注意:所有其他任務(wù)都已就緒。

在t1時刻,任務(wù)A搶占D,任務(wù)D重新進入就緒(等待運行)狀態(tài)。不久之后,A 試圖使用資源W 但發(fā)現(xiàn)它被鎖定,因此任務(wù)A 掛起。t2時刻,任務(wù) B被激活,運行至完成,然后掛起。在t3時刻,任務(wù)C運行至完成并掛起。然后在t4時刻,D 再次執(zhí)行。只有當(dāng)任務(wù) D釋放資源鎖時,A 才能執(zhí)行(t5時刻)。

在此設(shè)計中,任務(wù)A被賦予最高優(yōu)先級,因為它是一項重要的任務(wù)。然而由于互斥機制鎖,任務(wù)A只能被迫等待所有其他任務(wù)完成后才能執(zhí)行。

電電俠   顯然這種表現(xiàn)是不能接受的, 如何才能防止“連鎖”優(yōu)先級翻轉(zhuǎn)情況的發(fā)生?   這個問題可以通過兩種方式解決,都涉及臨時提升任務(wù)優(yōu)先級。

運行任務(wù)的優(yōu)先級可以提高到通過優(yōu)先繼承技術(shù)獲取的確定值。

為共享資源分配優(yōu)先級,然后將正在運行的任務(wù)的優(yōu)先級提高到資源優(yōu)先級值,這種方式稱為優(yōu)先級天花板技術(shù)。

三、嵌入式實時操作系統(tǒng)實時性影響因素

1、縮短中斷響應(yīng)時間。

幾乎所有的實時事件都是通過中斷上報的，當(dāng)中斷來臨時，必須停止當(dāng)前的一切任務(wù)，響應(yīng)中斷，把中斷分成兩部分：上半部分與下半部分，或者快中斷部分與慢中斷部分。上半部分屏蔽其他中斷，處理那些緊急任務(wù)，如清除某些寄存器，保存中斷現(xiàn)場，給相應(yīng)進程發(fā)送消息等， 其他不太緊急的部分放在下半部分，此時所有中斷打開，不影響其他任務(wù)的完成。

2、縮短進程上下文切換時間。

當(dāng)CPU在執(zhí)行某個任務(wù)時，實時任務(wù)到來，需要馬上執(zhí)行實時任務(wù)，不能等到當(dāng)前任務(wù)時間片用完才去執(zhí)行實時任務(wù)，必須在中斷來臨之時馬上能夠切換過去，保存當(dāng)前進程的上下文如寄存器，內(nèi)存，文件，信號等上下文，恢復(fù)實時任務(wù)的上下文。保存恢復(fù)上下文越快越好，這就要求兩個進程的上下文共享的資源越少越好，如每個任務(wù)的內(nèi)存是獨立的，甚至寄存器也是獨立的，這樣互不干擾，切換最快了。

3、縮短實時進程調(diào)度時間。

一般進程都是按照優(yōu)先級調(diào)度的，實時進程的優(yōu)先級當(dāng)然要比非實時的高， 不同實時進程按緊急度不同優(yōu)先級也不同，實時進程調(diào)度算法最好與非實時部分有所區(qū)別，算法復(fù)雜度最好是O(1)。

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