嵌入式操作系統(tǒng)中的搶占式調(diào)度策略

摘要：絕大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用搶占式的調(diào)度方式。本文主要講述采用搶占式方式進行任務(wù)調(diào)度的嵌入式操作系統(tǒng)的調(diào)度策略和原理。

    關(guān)鍵詞：搶占式 多任務(wù) 中斷

引 言

　　通過逐行閱讀順序程序的源代碼，不難說出程序會向處理器提出什么樣的特定操作，并且也能說出這些操作的順序。實際上，如果能夠知道對一個順序程序的所有輸入，那就不僅能精確預(yù)測到處理器所執(zhí)行的一系列機器碼，還能計算出系統(tǒng)最終的輸出值或系統(tǒng)行為。這樣，無論這個程序運行的速度快慢，都能夠得到一個唯一的結(jié)果。

　　然而，在現(xiàn)實中順序操作程序是很少見的。譬如，在嵌入式系統(tǒng)C程序中的main（）函數(shù)，盡管它看上去是順序的，但是這種看似順序執(zhí)行的程序最終會被系統(tǒng)的硬件中斷，在某個時刻所打斷。當外圍設(shè)備中斷產(chǎn)生后，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序會運行，從而取代當前main（）函數(shù)的執(zhí)行。這個過程就可以稱為搶占。

　　搶占意味著main（）函數(shù)將以比預(yù)期慢的速度執(zhí)行。這是因為它執(zhí)行速度的快慢與系統(tǒng)中斷的數(shù)量、中斷程序的執(zhí)行時間以及用于保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)的操作時間有著直接的關(guān)系。實質(zhì)上，大部分的處理器周期都被中斷服務(wù)程序給占用了。除非對中斷服務(wù)程序有時間的限制，否則，這些中斷自身并不會改變系統(tǒng)其它部分的輸出，它們只是減慢了程序的執(zhí)行。

　　由于絕大多數(shù)中斷服務(wù)程序處理來自于系統(tǒng)設(shè)備的中斷，這樣它們的執(zhí)行必將會帶來系統(tǒng)狀態(tài)的改變。這種狀態(tài)的改變最終會給后續(xù)指令主序列中的系統(tǒng)行為帶來變化，指令主序列則必須做出適當?shù)姆磻?yīng)來避免狀態(tài)改變帶來的影響。此時，不但難以預(yù)測處理器將執(zhí)行的操作，同時也難以知道何時，并且以何種順序來執(zhí)行這些操作。

　　絕大多數(shù)處理器支持中斷的嵌套。一個打斷程序順序執(zhí)行的中斷服務(wù)程序可以被另一個更高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序所打斷。當該高優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完成后，最初的中斷可以在指令主序列之前得以繼續(xù)執(zhí)行。

　　當每一個搶占過程發(fā)生時，處理器標志位、當前PC指針以及關(guān)鍵寄存器的內(nèi)容都應(yīng)該被保存起來（通常在RAM中），這稱為被搶占程序的上下文（context）。這些信息會在該程序進入運行態(tài)之前恢復(fù)到處理器中。在中斷事件產(chǎn)生時，大多數(shù)處理器會自動保存這些值，剩下的就是必須執(zhí)行中斷服務(wù)程序的入口和出口代碼了。

1 偽并行

　　一個近似的技術(shù)就是使處理器像對待處理硬件事件一樣處理軟件事件。為了達到這個目的，需要將系統(tǒng)劃分為一系列獨立的事件來處理，即任務(wù)。搶占式調(diào)度方式使這個想法成為可能。該調(diào)度方式管理著系統(tǒng)軟件對處理器的使用，并且使系統(tǒng)能夠保證對時間要求嚴格的事件得以有效的執(zhí)行。

    每個任務(wù)就是一個順序執(zhí)行的函數(shù)，并常常以一個無限循環(huán)作為結(jié)束。這樣，就好像任務(wù)獨占了處理器；同時，每個任務(wù)都被賦予特定的工作，如讀傳感器、掃描鍵盤、記錄一些數(shù)據(jù)或者刷新顯示等。每個任務(wù)都擁有一個相應(yīng)的優(yōu)先級，并在RAM中有屬于自己的堆�？臻g�？偟膩碚f，這一系列任務(wù)一起完成了整個系統(tǒng)所要完成的功能。

　　當一個高優(yōu)先級任務(wù)搶占一個低優(yōu)先級任務(wù)時，調(diào)度器所做的操作與處理器處理中斷的操作一致。首先，將當前運行任務(wù)的上下文保存到內(nèi)存中某個地方，然后開始執(zhí)行新的任務(wù)。如果這個新任務(wù)在先前已經(jīng)運行了，那它必有一個保存的上下文，那么，則需要恢復(fù)這些內(nèi)容使其繼續(xù)運行。當高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行完后，調(diào)度器將保存其最終的上下文，并且恢復(fù)被搶占任務(wù)的運行，就好像該低優(yōu)先級任務(wù)從沒被打斷過。

　　經(jīng)過這樣劃分，每個任務(wù)函數(shù)可以被寫成獨占處理器的形式。在實際應(yīng)用中，往往大多數(shù)系統(tǒng)中只有一個處理器。所以在某個特定時刻應(yīng)該只有一個任務(wù)或中斷在執(zhí)行。當沒有中斷發(fā)生時，調(diào)

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