嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題分析
　　
　　TheProblemAnalysisOnThePriorityInversionOfRTOS
　　
　　杭州海康威視數(shù)字技術(shù)有限公司郭海訓(xùn)
　　
　　摘要：本文介紹了嵌入式系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的一個(gè)實(shí)例。實(shí)例分析表明：兩個(gè)不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)如果都引入了信號(hào)量和中斷，則會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，即高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間阻塞或阻塞一段不確定的時(shí)間。通過(guò)本文討論，使人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)有一個(gè)更深的認(rèn)識(shí)，有助于在今后的研發(fā)中避免此類問(wèn)題的發(fā)生。
　　
　　關(guān)鍵詞：嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)Vxworks多任務(wù)信號(hào)量?jī)?yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)
　　
　　1引言
　　
　　VxWorks是美國(guó)WindRiverSystem公司（即WRS公司）推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的可靠性和的實(shí)時(shí)性。該系統(tǒng)采用基于優(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)先級(jí)，調(diào)度程序保證當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)是優(yōu)先權(quán)zui高的任務(wù)。但在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，由于任務(wù)間資源共享，信號(hào)量及中斷的引入，往往會(huì)出現(xiàn)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間阻塞(pend)或阻塞一段不確定時(shí)間的現(xiàn)象，即所謂的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)（PriorityInversion）。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)會(huì)造成任務(wù)調(diào)度的不確定性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。本文在參考文獻(xiàn)[1,2]的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，對(duì)造成優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的原因及其解決方法進(jìn)行了探討。
　　
　　2優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)一般性描述
　　
　　優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生在一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被迫等待一段不確定時(shí)間，等待一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)先完成。圖1中3個(gè)任務(wù)分別為task1、task2和task3，其優(yōu)先級(jí)由高到低。從圖1可知，當(dāng)task3占有由信號(hào)量（semaphore）保護(hù)的某種共享資源而進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行時(shí)，task1就緒，由于系統(tǒng)可搶占式PBP（PriorityBasedPreemptive）調(diào)度策略，因此task1搶占task3執(zhí)行。task1執(zhí)行一段時(shí)間后也進(jìn)入臨界區(qū)，但此時(shí)task3仍占有此臨界資源的信號(hào)量，task1被阻塞，等待task3釋放此信號(hào)量。在經(jīng)過(guò)這么一段時(shí)間后，task2已處于就緒狀態(tài)，于是系統(tǒng)調(diào)度task2執(zhí)行。如果task3在task2的執(zhí)行期間一直沒(méi)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釋放它所占有的信號(hào)量才能執(zhí)行；如果這段時(shí)間超出task1的Deadline，task1的調(diào)度出現(xiàn)了問(wèn)題，此時(shí)輕則任務(wù)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞，重則造成系統(tǒng)崩潰。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)原因可歸納為：高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task1由于要等待被低優(yōu)先級(jí)任務(wù)task3占有的臨界資源而被task2阻塞，而此時(shí)具有中優(yōu)先級(jí)的任務(wù)task2搶占了task3的CPU時(shí)間,導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。此類優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的解決方法大致有2種：一種被稱作優(yōu)先級(jí)繼承（priorityinheritance）；另一種被稱作優(yōu)先級(jí)極限（priorityceilings）。下面介紹本文所遇到的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。
　　
　　3優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的實(shí)例探討
　　
　　上節(jié)對(duì)一般意義上的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了描述，本節(jié)涉及的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)則較上述更為復(fù)雜，更具有隱蔽性。
　　
　　本文采用的嵌入式微處理器為S3C2510,CPU核為Arm940T，SAMSUNG公司制造。應(yīng)項(xiàng)目的需要，要求任務(wù)task1和task2中分別進(jìn)行調(diào)用微秒級(jí)和毫秒級(jí)定時(shí)器功能函數(shù)，由于S3C2510處理器5個(gè)32位定時(shí)器(timer)，因此利用其中的兩個(gè)即可。其中，ms級(jí)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的代碼架構(gòu)如下：
　　
　　1)中斷處理函數(shù)：
　　
　　LOCALvoidTimer1_Int_Handle(void)
　　
　　{
　　
　　*S3C2510_TIC|=S3C2510_TIC_T1;/*清除中斷*/
　　
　　...
　　
　　semGive(ID4_Stop);/*釋放二進(jìn)制信號(hào)量*/
　　
　　...
　　
　　}
　　
　　2)毫秒級(jí)定時(shí)函數(shù)
　　
　　voidms_Delay(intms)
　　
　　{
　　
　　...
　　
　　semTake(ID4_Stop,WAIT_FOREVER);
　　
　　...
　　
　　}
　　
　　3)時(shí)鐘初始化函數(shù)
　　
　　voidmsTimer_Init()
　　
　　ID4_Stop=semCCreate(SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY);/*初始化二進(jìn)制信號(hào)量*/
　　
　　assert(ID4_Stop);
　　
　　...
　　
　　}
　　
　　us級(jí)定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)的代碼與上面類似，這里不再給出相應(yīng)的代碼。函數(shù)調(diào)用說(shuō)明：行初始化，然后任務(wù)可隨意調(diào)用定時(shí)功能函數(shù)。當(dāng)某個(gè)任務(wù)調(diào)用定時(shí)功能函數(shù)時(shí)，此時(shí)該任務(wù)被信號(hào)量阻塞，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始進(jìn)行減一計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器減到0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)調(diào)用中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)將信號(hào)量釋放，此時(shí)信號(hào)量變的可用，任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
　　
　　當(dāng)在兩個(gè)不同優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1,task2（設(shè)優(yōu)先級(jí)分別為93和94）同時(shí)運(yùn)行，并分別調(diào)用us和ms級(jí)定時(shí)功能函數(shù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了，task1會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞。其中，task1和task2的調(diào)用如下：
　　
　　voidtask1(void)
　　
　　{
　　
　　...
　　
　　FOREVER
　　
　　{
　　
　　...
　　
　　us_Delay();
　　
　　...
　　
　　taskDelay(4);
　　
　　}
　　
　　voidTask2(void)
　　
　　{
　　
　　...
　　
　　FOREVER
　　
　　{
　　
　　ms_Delay();
　　
　　...
　　
　　}
　　
　　上述兩個(gè)任務(wù)間間資源是獨(dú)立的，但兩個(gè)任務(wù)在一起運(yùn)行時(shí)，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)task1在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)被長(zhǎng)期阻塞。
　　
　　解決上述問(wèn)題的方法比較簡(jiǎn)單，只要調(diào)整task1的任務(wù)優(yōu)先級(jí)低于task2，這里選為95，則兩個(gè)任務(wù)可長(zhǎng)時(shí)間并行運(yùn)行。
　　
　　由于加入了中斷和信號(hào)量，使系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度變的復(fù)雜，從而導(dǎo)致兩個(gè)原本看似獨(dú)立的任務(wù)task1和task2，不能正常并行運(yùn)行。造成此類現(xiàn)象的原因分析極其復(fù)雜，可視為是系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)盲點(diǎn)，但此類問(wèn)題可通過(guò)總結(jié)規(guī)律有效饒開(kāi)。例如在上述問(wèn)題中，若task1調(diào)用的定時(shí)函數(shù)的定時(shí)時(shí)間小于task2中的定時(shí)時(shí)間，則相應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)也應(yīng)task1PriorityTASK2PRIORITY，這樣高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就不會(huì)被阻塞。
　　
　　4結(jié)論
　　
　　本文結(jié)合實(shí)際例子，對(duì)Vxworks中優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題進(jìn)行了探討，并對(duì)此類問(wèn)題的解決方法進(jìn)行了描述。本文的探討將使嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員更深入了解優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。文章zui后對(duì)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題作如下歸納：
　　
　　1）通常條件：信號(hào)量引入；
　　
　　2）發(fā)生時(shí)間：高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被迫等待一段不確定時(shí)間，等待一個(gè)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)完成；
　　
　　3）造成原因：各異；
　　
　　4）表現(xiàn)形式：高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被長(zhǎng)時(shí)間阻塞。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　1、劉輝，孟凡榮，席景科.‘嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題’，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003.3
　　
　　2、黨紀(jì)紅，李東明，袁贛南.‘Vxworks實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度的研究分析’，應(yīng)用科技，2003.2