- 相關(guān)推薦
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題
摘要：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中由于多任務(wù)共享資源，通常會(huì)出現(xiàn)一些奇怪的現(xiàn)象。本文就什么是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)及其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出2個(gè)行之有效的解決方案。關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng) 多任務(wù) 信號(hào)量 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)
1 問題的提出
目前，市場上占有率比較高的商業(yè)RTOS有VxWorks/PSOS、QNX、 LynxOS、VRTX,、Windows CE等。這些為數(shù)眾多的RTOS絕大多數(shù)都是多任務(wù)實(shí)時(shí)微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，采用的是基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式調(diào)度策略。系統(tǒng)為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先權(quán)，調(diào)度程序保證當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程是優(yōu)先權(quán)最高的進(jìn)程。但是，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一種比較奇怪的現(xiàn)象：由于多進(jìn)程共享資源，具有最高優(yōu)先權(quán)的進(jìn)程被低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程阻塞，反而使具有中優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程先于高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程執(zhí)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。這就是所謂的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)（Priority Inversion）。
2 優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)
RTOS普遍具有2個(gè)特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性和多任務(wù)。實(shí)時(shí)是指系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，超出這個(gè)時(shí)間限制將會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤；同時(shí)，實(shí)時(shí)性還要求對(duì)時(shí)間要求非常急迫的任務(wù)要先于對(duì)時(shí)間不是很緊急的任務(wù)執(zhí)行。正是由于這2個(gè)原因，RTOS的進(jìn)程調(diào)度普遍采用的是基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式PBP（Priority Based Preemptive）的調(diào)度策略。多任務(wù)是嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)在要求。如今的嵌入式系統(tǒng)普遍要求具有多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的能力，因此RTOS中也必須提供多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的支持。由于多任務(wù)并發(fā)，必然會(huì)導(dǎo)致多個(gè)任務(wù)共享資源。如有2個(gè)任務(wù)task1和task2并發(fā)執(zhí)行，都需要向打印機(jī)輸出結(jié)果。由于只有1臺(tái)打印機(jī)，所以在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)只能有1個(gè)任務(wù)，如task1占有打印機(jī)并向打印機(jī)輸出，而這時(shí)另一個(gè)任務(wù)task2處于等待狀態(tài)。當(dāng)task1輸出完畢后，task2由等待轉(zhuǎn)為就緒，當(dāng)RTOS再次調(diào)度它時(shí)，方可占有打印機(jī)向打印機(jī)輸出。試想如果不采取這種方式，不對(duì)打印機(jī)這種共享資源加以控制，而讓task1和task2同時(shí)向打印機(jī)輸出，這時(shí)候打印機(jī)打印的結(jié)果誰也看不懂，是一堆亂七八糟的東西。因此，大多數(shù)的RTOS采用了一種稱作信號(hào)量（semaphore）的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的管理。任何一個(gè)想使用臨界資源（如打印機(jī)等共享資源）的進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)（如task1或task2中訪問臨界資源的代碼）之前必須擁有使用臨界資源的信號(hào)量，否則不可以執(zhí)行臨界區(qū)代碼。假設(shè)系統(tǒng)中有3個(gè)任務(wù)，分別為task1、task2和task3。task1的優(yōu)先權(quán)高于task2，而task2的優(yōu)先權(quán)高于task3。恰在此時(shí)task1和task2 因某種原因被阻塞，這時(shí)候系統(tǒng)調(diào)度task3執(zhí)行。task3執(zhí)行一段時(shí)間后，task1被喚醒。由于采取的是PBP的調(diào)度策略，因此task1搶占task3的CPU, task1執(zhí)行。task1執(zhí)行一段時(shí)間后要進(jìn)入臨界區(qū)，但此時(shí)task3占有此臨界資源的信號(hào)量。因此task1被阻塞，處于等待狀態(tài)，等待task3釋放此信號(hào)量。經(jīng)過這么一段時(shí)間后，task2此時(shí)此刻處于就緒狀態(tài)。因此系統(tǒng)調(diào)度task2執(zhí)行。如果task3在task2的執(zhí)行期間一直沒有能夠被調(diào)度執(zhí)行的話，那task1和task3將一直等到task2執(zhí)行完后才能執(zhí)行，task1更要等到task3釋放它所把持的信號(hào)量才能執(zhí)行；而這段時(shí)間完全有可能超出task1的Deadline，使得task1崩潰。當(dāng)系統(tǒng)看到有高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)崩潰時(shí)候，系統(tǒng)認(rèn)為此時(shí)有重大事故發(fā)生，為了挽救系統(tǒng)，看門狗電路起作用，系統(tǒng)可能被自動(dòng)復(fù)位。從上面的分析可以看到，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的原因是由于優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)task1要獲取被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task2占有的臨界資源而被task2阻塞，而具有中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task2搶占task3的CPU,從而導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。這時(shí)候系統(tǒng)便出現(xiàn)了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的情況，如圖1所示。
[1] [2]
【嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題】相關(guān)文章：
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks及其在地震勘探儀器中的應(yīng)用04-28
基于嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的實(shí)時(shí)通訊的實(shí)現(xiàn)05-02
實(shí)時(shí)稱重系統(tǒng)在斜拉橋監(jiān)控中的應(yīng)用04-26
北斗系統(tǒng)在城市環(huán)境實(shí)時(shí)稽查系統(tǒng)中的應(yīng)用研究04-29
基于Web的實(shí)時(shí)答疑系統(tǒng)04-30
嵌入式系統(tǒng)與通信技術(shù)在汽車安全中的應(yīng)用05-02
PPSM嵌入式RTOS中的窗口系統(tǒng)開發(fā)12-01
無人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)飛行仿真04-28
嵌入式系統(tǒng)報(bào)告10-18