μC/OS-II軟件定時器管理算法分析及改進(jìn)

1、概述

軟件定時器是一種軟件措施，通過它可以使一項特定的任務(wù)在給定的時間段后被執(zhí)行。軟件定時器廣泛地應(yīng)用于內(nèi)核設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計中，例如，一個進(jìn)程使用軟件定時器等待其他的進(jìn)程完成特定的動作,以使任務(wù)間的操作同步等，因此，對軟件定時器的高效實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的響應(yīng)效率是至關(guān)重要的。

作為一種基礎(chǔ)的軟件措施，μC/OS-II[1]的 V2.86版本中增加了對軟件定時器的支持。使用μC/OS-II提供的軟件定時器，應(yīng)用程序可以方便地完成特定的定時任務(wù)。本文對μC/OS-II的軟件定時器的實現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行簡要分析，然后提出了對μC/OS-II的軟件定時器的實現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)的方法。

2、μC/OS-II軟件定時器的實現(xiàn)機(jī)制及算法分析

2.1 μC/OS-II軟件定時器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

μC/OS-II實現(xiàn)軟件定時器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 OS_TMR，其定義如下：

typedef struct os_tmr {

INT8U OSTmrType; /*應(yīng)該設(shè)置為OS_TMR_TYPE*/

OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定時間到達(dá)時要執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)*/

void *OSTmrCallbackArg; /*傳遞給回調(diào)函數(shù)的參數(shù)*/

void *OSTmrNext; /*軟件定時器鏈表管理指針*/

void *OSTmrPrev;

INT32U OSTmrMatch; /*當(dāng)OSTmrTime == OSTmrMatch 時表示定時器時間到*/

INT32U OSTmrDly; /*對于周期性定時器，再次啟動定時器前的延時時間*/

INT32U OSTmrPeriod; /*對于周期性定時器，時鐘周期的長度*/

INT8U OSTmrOpt; /*選項 (如 OS_TMR_OPT_xxx 等) */

INT8U OSTmrState; /*定時器的狀態(tài)*/

} OS_TMR;

每個 OS_TMR結(jié)構(gòu)的實例定義了一個軟件定時器，多個軟件定時器通過結(jié)構(gòu)中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev構(gòu)成一個定時器雙向鏈表。

為了提高對軟件定時器的管理效率，μC/OS-II引入了“定時器輪”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂定時器輪，是將定時器實例中的 OSTmrMatch域的值參照某一個預(yù)先設(shè)計的數(shù)（稱為輪數(shù)）進(jìn)行求余運(yùn)算，并根據(jù)求余結(jié)果將定時器進(jìn)行分組以改善對到期定時器的命中率。定時器輪數(shù)缺省配置如下:

typedef struct os_tmr_wheel {

OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定時器的指針*/

INT16U OSTmrEntries; /*該定時器輪中的定時器項數(shù)*/

} OS_TMR_WHEEL;

缺省配置下，μC/OS-II 定義的輪數(shù)為8，因此，μC/OS-II 的定時器輪為如下的一個數(shù)組：

OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl[8];

例如，在某一個特定的時刻,此處假設(shè)時刻5，系統(tǒng)中有定時時間為2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的軟件定時器，那么，這些定時器將在時鐘滴答分別為7、9、10、37、166、362時到期，則此時系統(tǒng)的定時器輪的實例如圖 1所示：

2.2 μC/OS-II軟件定時器的處理算法分析

μC/OS-II對定時器的超時處理在一個稱為“uC/OS-II Tmr”的任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)是通過信號量 OSTmrSemSignal來激活。基于以上定義的定時器輪，μC/OS-II對定時器的處理算法如下：

static void OSTmr_Task (void *p_arg)

{

for(;;)

{

等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

STmrTime = OSTmrTime+1，并對8 求余后得到對應(yīng)的定時器輪項索引index;

for OSTmrWheelTbl[index]定時器輪中的每一個定時器ptmr，do

{

if (OSTmrTime == ptmr->OSTmrMatch) {

執(zhí)行ptmr 軟件定時器中的回調(diào)函數(shù)；

對于單次定時器，從定時器輪中刪除該時鐘；

對于周期性定時器，則重置該定時器的OSTmrMatch 值；

}

}

釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

}

}

2.3 μC/OS-II的定時器處理算法的效率分析 采用上面的例子，對μC/OS-II的定時器處理算法效率進(jìn)行一個簡單的分析：在下一次時鐘滴答，也就是時鐘滴答 6時，沒有定時器到期，而 for循環(huán)必須對每個時鐘進(jìn)行檢查，類似的情況還發(fā)生在自時鐘到達(dá) 10以后的多個檢查中。根據(jù)系統(tǒng)中的定時器的數(shù)量，這種無謂的檢查將占用大量的 CPU時間。

3、對μC/OS-II的定時器管理算法的改進(jìn)

3.1 改進(jìn)以后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

對μC/OS-II的定時器管理算法進(jìn)行改進(jìn)的主要目標(biāo)是：要么不對定時器進(jìn)行檢查，要檢查則一定有定時器到期[2]。為了達(dá)到這個設(shè)計目標(biāo)，需要對μC/OS-II的定時器輪進(jìn)行重新設(shè)計。采用同樣的 OS_TMR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 OS_TMR_WHEEL定時器輪結(jié)構(gòu)，但是，對定時器輪的每一個項的功能進(jìn)行重新規(guī)劃：

（1）定時器輪的第 1項到第 7項，即 OSTmrWheelTbl[1]到 OSTmrWheelTbl[7]的定時器輪，分別表示將在此后的第 1個時鐘滴答到第 7個時鐘滴答將到期的定時器項，此時，每個定時器結(jié)構(gòu)的 OSTmrMatch中的值表示需要經(jīng)過多少個時鐘滴答該定時器項將到期。在同一個定時器輪中的多個定時器項通過 OSTmrNext和 OSTmrPrev指針構(gòu)成雙向鏈表。

（2）定時器輪的第 0項，表示將至少需要經(jīng)過 8個時鐘滴答才到期的定時器，并通過

OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時器構(gòu)成雙向鏈表。 針對上面的同一個例子，按照此規(guī)劃形成的新的定時器輪如圖 2所示：

3.2 改進(jìn)的處理算法

對定時器的超時處理仍然在“uC/OS-II Tmr”任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)還是通過信號量OSTmrSemSignal來激活，因此，對于基于該接口調(diào)用的應(yīng)用程序可以不做任何修改即可正常運(yùn)行。基于新規(guī)劃的定時器輪，對定時器的處理算法如下：

static void OSTmr_Task (void *p_arg)

{

STmrTime = 0；

for(;;)

{

等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

STmrTime = OSTmrTime+1；

if (OSTmrTime < 8)

{

for OSTmrWheelTbl[OSTmrTime]定時器輪中的每一個定時器ptmr，do

{

執(zhí)行ptmr 軟件定時器中的回調(diào)函數(shù)；

對于單次定時器，從定時器輪中刪除該定時器；

對于周期性定時器，則重置該定時器的OSTmrMatch 值；

}

}

else // STmrTime == 8

{

for OSTmrWheelTbl[0]定時器輪中的每一個定時器ptmr，do

{

ptmr->OSTmrMatch = ptmr->OSTmrMatch – 8;//已經(jīng)經(jīng)過了8 個時鐘滴答；

if (ptmr->OSTmrMatch == 0) //到期定時值正好是8 的倍數(shù)

{

執(zhí)行ptmr 軟件定時器中的回調(diào)函數(shù)；

對于單次時鐘，從定時器輪中刪除該定時器；

對于周期性時鐘重置該定時器的OSTmrMatch 值；

continue;

}

if (ptmr->OSTmrMatch < 8) //少于8 個ticks 將到期的定時器

{

根據(jù)ptmr->OSTmrMatch 的值將ptmr 插入到相應(yīng)的OSTmrWheelTbl

定時器輪中；

}

}

STmrTime = 0； //重新計數(shù)滴答；

}

釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

}

}

3.3改進(jìn)的處理算法的效率分析

通過對改進(jìn)以后的算法進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：在每一個時鐘滴答，如果對應(yīng)的定時器輪的OSTmrFirst指針不為NULL，則在該時鐘滴答有到期的定時器，需要調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。通過對定時器輪進(jìn)行重新規(guī)劃，避免了不必要的定時器到期檢查，從而可節(jié)省 CPU時間，提高了運(yùn)行效率。

4、結(jié)束語

針對本文提出的改進(jìn)算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開發(fā)板 [3][4]上對改進(jìn)以后的處理算法進(jìn)行了測試，測試中建立了 1000個軟件定時器，在其他負(fù)載相同的情況下，通過μC/OS-II的統(tǒng)計任務(wù)對 CPU的使用率進(jìn)行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn) CPU的負(fù)載率降低了約9%。

本文創(chuàng)新點：對μC/OS-II的定時器輪進(jìn)行了重新規(guī)劃，使得在每個時鐘滴答對軟件定時器進(jìn)行處理時有效提高了到期定時器的命中率，進(jìn)而降低了 CPU的負(fù)載率。