μC/OSII中軟件定時(shí)器的優(yōu)缺點(diǎn)與改進(jìn)

     μC/OSII具有小巧、性能穩(wěn)定、開源等眾多優(yōu)點(diǎn)，并且μC/OSII大部分用ANSI C語言編寫，系統(tǒng)的移植非常容易。在μC/OSII I2.81及以后的版本中[2]，加入了對軟件定時(shí)器的支持，使得μC/OSII操作系統(tǒng)更加完善。

　　μC/OSII是一種基于優(yōu)先級的搶占式操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)。而系統(tǒng)中軟件定時(shí)器沒有優(yōu)先級，回調(diào)函數(shù)順序執(zhí)行，這樣就降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，本文對軟件定時(shí)器進(jìn)行改進(jìn)，定時(shí)器中加入優(yōu)先級，回調(diào)函數(shù)按優(yōu)先級執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　1  對軟件定時(shí)器的介紹

　　μC/OSII系統(tǒng)中的時(shí)間管理功能包括任務(wù)延時(shí)與軟件定時(shí)器，而軟件定時(shí)器的主要作用是，對函數(shù)周期性或者一次性執(zhí)行的定時(shí)，利用軟件定時(shí)器控制塊與“定時(shí)器輪”管理軟件定時(shí)器。定時(shí)器控制塊的結(jié)構(gòu)如同任務(wù)控制塊，創(chuàng)建一個(gè)定時(shí)器時(shí)，從空閑定時(shí)器控制塊鏈表中得到一個(gè)空閑控制塊，并對其賦值。

　　軟件定時(shí)器也需要一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍驅(qū)動(dòng)，而這個(gè)驅(qū)動(dòng)一般是硬件實(shí)現(xiàn)的，一般使用μC/OSII操作系統(tǒng)中任務(wù)延時(shí)的時(shí)鐘節(jié)拍來驅(qū)動(dòng)軟件定時(shí)器。每個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍OSTmrCtr（全局變量，初始值為0）增1， 當(dāng)OSTmrCtr的值等于為OS_TICKS_PER_SEC /OS_TMR_CFG_TICKS_PER_SEC（此兩者的商決定軟件定時(shí)器的頻率）時(shí)，調(diào)用函數(shù)OSTmrSignal（），此函數(shù)發(fā)送信號量OSTmrSemSignal（初始值為0，決定軟件定時(shí)器掃描任務(wù)OSTmr_Task的運(yùn)行）。也就是說，對定時(shí)器的處理不在時(shí)鐘節(jié)拍中斷函數(shù)中進(jìn)行，而是以發(fā)生信號量的方式激活任務(wù)OSTmr_Task（具有很高的優(yōu)先級）。任務(wù)OSTmr_Task對定時(shí)器進(jìn)行檢測處理，包括定時(shí)器定時(shí)完成的判斷、回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行。

　　μC/OSII 2.86中與軟件定時(shí)器相關(guān)的函數(shù)包括：

　?、?軟件定時(shí)器內(nèi)部靜態(tài)函數(shù)。獲取與釋放定時(shí)器控制塊函數(shù)OSTmr_Alloc（）、OSTmr_Free（）；定時(shí)器插入相應(yīng)“時(shí)間輪”組函數(shù)OSTmr_Link（）；從相應(yīng)“時(shí)間輪”組中刪除定時(shí)器函數(shù)OSTmr_Unlink（）；軟件定時(shí)器任務(wù)初始化函數(shù)OSTmr_InitTask（）；定時(shí)器掃描任務(wù)OSTmr_Task；定時(shí)器上鎖與解鎖函數(shù)OSTmr_Lock（）與OSTmr_Unlock（）（在μC/OSII 2.91中，此兩函數(shù)被任務(wù)調(diào)度鎖定與解鎖函數(shù)代替）。

　　② 定時(shí)器外部接口函數(shù)。定時(shí)器創(chuàng)建與刪除函數(shù)OSTmrCreate（）、OSTmrDel（）；定時(shí)器啟動(dòng)與停止函數(shù)OSTmrStart（）、OSTmrStop（）；定時(shí)器剩余時(shí)間與當(dāng)前狀態(tài)查詢函數(shù)OSTmrRemainGet（）、OSTmrStateGet（）；軟件定時(shí)器的初始化OSTmr_Init（）；發(fā)送信號量OSTmrSemSignal函數(shù)OSTmrSignal（）；定時(shí)器名稱查詢函數(shù)OSTmrNameGet（）。

　　由于軟件定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行都是在任務(wù)OSTmr_Task中執(zhí)行，如果多個(gè)定時(shí)器同時(shí)定時(shí)完成，則在定時(shí)器任務(wù)中執(zhí)行多個(gè)定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，因此定時(shí)器任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不確定。而且定時(shí)器回調(diào)函數(shù)是順序執(zhí)行的，如果某個(gè)定時(shí)器回調(diào)函數(shù)需要盡快執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，就難以實(shí)現(xiàn)了。由于各個(gè)定時(shí)器沒有優(yōu)先級，因此了影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　2  對軟件定時(shí)器的改進(jìn)

　　為提高軟件定時(shí)器回調(diào)函數(shù)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，給每個(gè)定時(shí)器賦予一個(gè)優(yōu)先級。當(dāng)定時(shí)完成時(shí)，并且定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)不為空，則把定時(shí)器的優(yōu)先級寫于軟件定時(shí)器就緒表中。任務(wù)OSTmr_Task對相應(yīng)“時(shí)間輪”檢查結(jié)束后，如果在掃描各個(gè)定時(shí)器前軟件定時(shí)器就緒表為零而掃描之后不為零，則發(fā)送信號量激活回調(diào)函數(shù)任務(wù)OSTmr_TaskCallback。在此任務(wù)中，回調(diào)函數(shù)根據(jù)軟件定時(shí)器就緒表中的優(yōu)先級執(zhí)行相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，這樣就提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　2.1  對軟件定時(shí)器相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　?、?定義結(jié)構(gòu)體OS_TMR_CALL，存儲定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)、函數(shù)的參數(shù)、定時(shí)器指針，形式如下：

　　typedefstructos_tmr_call {

　　OS_TMR_CALLBACKOSTmrCallback; /*回調(diào)函數(shù)*/

　　void *OSTmrCallbackArg;/*回調(diào)函數(shù)指針*/

　　OS_TMR *OSTmr; /*定時(shí)器指針*/

　　} OS_TMR_CALL;

　　在頭文件ucos_ii.h中，定義OSTmrCallbackTbl[OS_TMR_CFG_MAX]，OS_TMR_CFG_MAX表示系統(tǒng)中配置的軟件定時(shí)器數(shù)量。

　?、?在軟件定時(shí)器控制塊中加入成員變量OSTmrPrio（定時(shí)器優(yōu)先級），刪去變量OSTmrCallback（回調(diào)函數(shù)）、OSTmrCallbackArg（回調(diào)函數(shù)參數(shù)），為了測試的方便，可暫不刪除這兩個(gè)變量。

　?、?定義定時(shí)器就緒表：

　　INT8UOSTmrRdyGrp；

　　INT8UOSTmrRdyTbl[OS_TMR_CFG_MAX/8 + 1]；

　　當(dāng)定時(shí)器定時(shí)完成時(shí)，把定時(shí)器優(yōu)先級寫入就緒表，回調(diào)函數(shù)任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。

　?、?定義信號量OSTmrSemCallback（初始值0 ），當(dāng)定時(shí)完成后，發(fā)送此信號量，激活回調(diào)函數(shù)任務(wù)，以執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。[!--empirenews.page--]

　　2.2  與軟件定時(shí)器相關(guān)的函數(shù)函數(shù)與任務(wù)的改進(jìn)

　　2.2.1  軟件定時(shí)器創(chuàng)建函數(shù)OSTmrCreate

　　在創(chuàng)建函數(shù)OSTmrCreate的參數(shù)中加入優(yōu)先級參數(shù)prio。調(diào)用創(chuàng)建函數(shù)時(shí)，對定時(shí)器控制塊中的成員變量賦值，并給回調(diào)函數(shù)數(shù)組的相應(yīng)單元賦值，形式如下：

　　OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmrCallback = callback;

　　OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmrCallbackArg = callback_arg;

　　OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmr = ptmr;

　　2.2.2  對定時(shí)器任務(wù)OSTmr_Task的改進(jìn)

　　當(dāng)有定時(shí)器定時(shí)完成，把定時(shí)器優(yōu)先級寫入軟件定時(shí)器就緒表中，并根據(jù)就緒表前后的值判斷時(shí)候發(fā)送信號量OSTmrSemSignal，以激活回調(diào)函數(shù)任務(wù)。任務(wù)OSTmr_Task的流程如圖1所示。

圖1  OSTmr_Task的流程

　　把定時(shí)器優(yōu)先級寫入定時(shí)器就緒表的代碼如下所示：

　　if （OSTmrTime == ptmr?>OSTmrMatch） {

　　prio = ptmr?>OSTmrPrio;

　　pfnct =OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;

　　if （pfnct != （OS_TMR_CALLBACK）0） { /*加入定時(shí)器回調(diào)函數(shù)就緒表*/

　　OSTmrRdyGrp|= （INT8U）（1 《 （INT8U）（prio 》 0x03））；

　　OSTmrRdyTbl[prio >> 0x03]|= （INT8U）（1 《 （INT8U）（prio & 0x07））；

　　}

　　}

　　2.2.3  對定時(shí)器停止函數(shù)OSTmrStop（）的修改

　　函數(shù)OSTmrStop只需修改與回調(diào)函數(shù)執(zhí)行相關(guān)的部分即可，例如，case OS_TMR_OPT_CALLBACK_ARG: 部分的代碼如下：

　　case OS_TMR_OPT_CALLBACK_ARG:

　　prio = ptmr?>OSTmrPrio;

　　pfnct = OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;

　　if （pfnct != （OS_TMR_CALLBACK）0） {

　　……/*prio加入定時(shí)器就緒表*/

　　OSTmrCall[prio].OSTmrCallbackArg =（void *）callback_arg;

　　OSSemPost（OSTmrSemCallback）； /*發(fā)送回調(diào)函數(shù)執(zhí)行信號量*/

　　}else {

　　*perr = OS_ERR_TMR_NO_CALLBACK;

　　}

　　而case OS_TMR_OPT_CALLBACK:部分的代碼同上，只是回調(diào)函數(shù)的參數(shù)不需要重新賦值。[!--empirenews.page--]

　　2.2.4  回調(diào)函數(shù)任務(wù)OSTmr_TaskCallback（）

　　在源文件tmr.c中加入回調(diào)函數(shù)任務(wù)OSTmr_TaskCallback（），根據(jù)定時(shí)器就緒表中的優(yōu)先級執(zhí)行相應(yīng)回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)任務(wù)的結(jié)構(gòu)如下所示：

　　static voidOSTmr_TaskCallback（void *p_arg） {……/*變量定義*/

　　for （；；）{//請求信號量OSTmrSemCallback

　　OSSemPend（OSTmrSemCallback, 0, &err）；

　　OSTmr_Lock（）；/*定時(shí)器上鎖*/

　　while （OSTmrRdyGrp） {

　　……/*從定時(shí)器就緒表中得到最高優(yōu)先級的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)*/

　　……/*刪除就緒表中的占有位*/

　　OSTmr_Unlock（）； /*定時(shí)器上鎖*/

　　pfnct = OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;

　　（*pfnct）（（void *）（OSTmrCall[prio].OSTmr），OSTmrCall[prio].OSTmrCallbackArg）； /*執(zhí)行回調(diào)函數(shù)*/

　　OSTmr_Lock（）； /*定時(shí)器上鎖*/

　　}

　　OSTmr_Unlock（）；/*定時(shí)器解鎖*/

　　}

　　}

　　由以上代碼可知，訪問就緒表時(shí)定時(shí)器上鎖，而執(zhí)行回調(diào)函數(shù)時(shí)處于定時(shí)器解鎖狀態(tài)。如果回調(diào)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間較長，在下一個(gè)軟件定時(shí)器節(jié)拍到來時(shí)，定時(shí)器掃描任務(wù)可以得到及時(shí)的執(zhí)行，當(dāng)前回調(diào)函數(shù)執(zhí)行完成后，可以及時(shí)得執(zhí)行就緒表中最高優(yōu)先級定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)。由此可以看出，高優(yōu)先級定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)得到及時(shí)執(zhí)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提高。

　　實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，在回調(diào)函數(shù)任務(wù)OSTmr_TaskCallback中，使用任務(wù)調(diào)度上鎖與解鎖比使用定時(shí)器上鎖與解鎖（即信號量的請求）執(zhí)行速度快一些。畢竟回調(diào)函數(shù)任務(wù)的優(yōu)先級很高（一般僅次于定時(shí)器掃描任務(wù)OSTmr_Task的優(yōu)先級），所以使用任務(wù)調(diào)度鎖定比定時(shí)器鎖定要好一些。當(dāng)然，還可以使用開關(guān)中斷的方式對就緒表進(jìn)行訪問，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇使用哪種方式。

　　3  實(shí)驗(yàn)測試

　　本次實(shí)驗(yàn)使用軟件開發(fā)環(huán)境IAR 5.30，以基于CortexM3內(nèi)核的路虎LPC1768開發(fā)板作為硬件實(shí)驗(yàn)平臺[6]，對實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII 2.86進(jìn)行改進(jìn)。

　　對改進(jìn)后的操作系統(tǒng)進(jìn)行測試，在主函數(shù)中創(chuàng)建一個(gè)啟動(dòng)任務(wù)，在啟動(dòng)任務(wù)中創(chuàng)建4個(gè)周期定時(shí)器（系統(tǒng)中“時(shí)間輪”數(shù)設(shè)為4），賦予不同優(yōu)先級與定時(shí)值，每個(gè)定時(shí)器控制一個(gè)LED的閃爍，啟動(dòng)這4個(gè)定時(shí)器。在啟動(dòng)函數(shù)中創(chuàng)建4個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)也是控制一個(gè)LED燈的閃爍（利用任務(wù)延時(shí)），之后啟動(dòng)任務(wù)掛起。利用μC/OSII CSPY插件觀察各定時(shí)器的運(yùn)行情況，如圖2所示。

圖2  軟件定時(shí)器運(yùn)行界面

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，定時(shí)器回調(diào)函數(shù)得到及時(shí)的執(zhí)行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性得到很大的提高。

　　4 結(jié)語

　　軟件定時(shí)器改進(jìn)后，定時(shí)器任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間確定，僅與同時(shí)完成定時(shí)的定時(shí)器數(shù)目有關(guān)，對處于就緒表中的定時(shí)器回調(diào)函數(shù)按優(yōu)先級執(zhí)行，使高優(yōu)先級定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)得到及時(shí)的執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。