μC/OS-II軟件定時(shí)器管理算法分析及改進(jìn)
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軟件定時(shí)器是一種軟件措施，通過(guò)它可以使一項(xiàng)特定的任務(wù)在給定的時(shí)間段后被執(zhí)行。軟件定時(shí)器廣泛地應(yīng)用于內(nèi)核設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，例如，一個(gè)進(jìn)程使用軟件定時(shí)器等待其他的進(jìn)程完成特定的動(dòng)作,以使任務(wù)間的操作同步等，因此，對(duì)軟件定時(shí)器的高效實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)軟件定時(shí)器的支持。使用μC/OS-II提供的軟件定時(shí)器，應(yīng)用程序可以方便地完成特定的定時(shí)任務(wù)。本文對(duì)μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，然后提出了對(duì)μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)的方法。
2、μC/OS-II軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制及算法分析
2.1 μC/OS-II軟件定時(shí)器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
μC/OS-II實(shí)現(xiàn)軟件定時(shí)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(shí)間到達(dá)時(shí)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(shí)器鏈表管理指針*/
void *OSTmrPrev;
INT32U OSTmrMatch; /*當(dāng)OSTmrTime == OSTmrMatch 時(shí)表示定時(shí)器時(shí)間到*/
INT32U OSTmrDly; /*對(duì)于周期性定時(shí)器，再次啟動(dòng)定時(shí)器前的延時(shí)時(shí)間*/
INT32U OSTmrPeriod; /*對(duì)于周期性定時(shí)器，時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度*/
INT8U OSTmrOpt; /*選項(xiàng) (如 OS_TMR_OPT_xxx 等) */
INT8U OSTmrState; /*定時(shí)器的狀態(tài)*/
} OS_TMR;
每個(gè) OS_TMR結(jié)構(gòu)的實(shí)例定義了一個(gè)軟件定時(shí)器，多個(gè)軟件定時(shí)器通過(guò)結(jié)構(gòu)中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev構(gòu)成一個(gè)定時(shí)器雙向鏈表。
為了提高對(duì)軟件定時(shí)器的管理效率，μC/OS-II引入了“定時(shí)器輪”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂定時(shí)器輪，是將定時(shí)器實(shí)例中的 OSTmrMatch域的值參照某一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)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(shí)器進(jìn)行分組以改善對(duì)到期定時(shí)器的命中率。定時(shí)器輪數(shù)缺省配置如下:
typedef struct os_tmr_wheel {
OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定時(shí)器的指針*/
INT16U OSTmrEntries; /*該定時(shí)器輪中的定時(shí)器項(xiàng)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(shí)器輪為如下的一個(gè)數(shù)組：
OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl[8];
例如，在某一個(gè)特定的時(shí)刻,此處假設(shè)時(shí)刻5，系統(tǒng)中有定時(shí)時(shí)間為2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的軟件定時(shí)器，那么，這些定時(shí)器將在時(shí)鐘滴答分別為7、9、10、37、166、362時(shí)到期，則此時(shí)系統(tǒng)的定時(shí)器輪的實(shí)例如圖 1所示：
2.2 μC/OS-II軟件定時(shí)器的處理算法分析
μC/OS-II對(duì)定時(shí)器的超時(shí)處理在一個(gè)稱為“uC/OS-II Tmr”的任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)是通過(guò)信號(hào)量 OSTmrSemSignal來(lái)激活。基于以上定義的定時(shí)器輪，μC/OS-II對(duì)定時(shí)器的處理算法如下：
static void OSTmr_Task (void *p_arg)
{
for(;;)
{
等待OSTmrSemSignal 信號(hào)量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)權(quán)；
STmrTime = OSTmrTime+1，并對(duì)8 求余后得到對(duì)應(yīng)的定時(shí)器輪項(xiàng)索引index;
for OSTmrWheelTbl[index]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do
{
if (OSTmrTime == ptmr->OSTmrMatch) {
執(zhí)行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調(diào)函數(shù)；
對(duì)于單次定時(shí)器，從定時(shí)器輪中刪除該時(shí)鐘；
對(duì)于周期性定時(shí)器，則重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；
}
}
釋放對(duì)OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)權(quán)；
}
}
2.3 μC/OS-II的定時(shí)器處理算法的效率分析采用上面的例子，對(duì)μC/OS-II的定時(shí)器處理算法效率進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分析：在下一次時(shí)鐘滴答，也就是時(shí)鐘滴答 6時(shí)，沒(méi)有定時(shí)器到期，而 for循環(huán)必須對(duì)每個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行檢查，類似的情況還發(fā)生在自時(shí)鐘到達(dá) 10以后的多個(gè)檢查中。根據(jù)系統(tǒng)中的定時(shí)器的數(shù)量，這種無(wú)謂的檢查將占用大量的 CPU時(shí)間。
3、對(duì)μC/OS-II的定時(shí)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(jì)
對(duì)μC/OS-II的定時(shí)器管理算法進(jìn)行改進(jìn)的主要目標(biāo)是：要么不對(duì)定時(shí)器進(jìn)行檢查，要檢查則一定有定時(shí)器到期[2]。為了達(dá)到這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)μC/OS-II的定時(shí)器輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。采用同樣的 OS_TMR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 OS_TMR_WHEEL定時(shí)器輪結(jié)構(gòu)，但是，對(duì)定時(shí)器輪的每一個(gè)項(xiàng)的功能進(jìn)行重新規(guī)劃：
（1）定時(shí)器輪的第 1項(xiàng)到第 7項(xiàng)，即 OSTmrWheelTbl[1]到 OSTmrWheelTbl[7]的定時(shí)器輪，分別表示將在此后的第 1個(gè)時(shí)鐘滴答到第 7個(gè)時(shí)鐘滴答將到期的定時(shí)器項(xiàng)，此時(shí)，每個(gè)定時(shí)器結(jié)構(gòu)的 OSTmrMatch中的值表示需要經(jīng)過(guò)多少個(gè)時(shí)鐘滴答該定時(shí)器項(xiàng)將到期。在同一個(gè)定時(shí)器輪中的多個(gè)定時(shí)器項(xiàng)通過(guò) OSTmrNext和 OSTmrPrev指針構(gòu)成雙向鏈表。
（2）定時(shí)器輪的第 0項(xiàng)，表示將至少需要經(jīng)過(guò) 8個(gè)時(shí)鐘滴答才到期的定時(shí)器，并通過(guò)
OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時(shí)器構(gòu)成雙向鏈表。 針對(duì)上面的同一個(gè)例子，按照此規(guī)劃形成的新的定時(shí)器輪如圖 2所示：
3.2 改進(jìn)的處理算法
對(duì)定時(shí)器的超時(shí)處理仍然在“uC/OS-II Tmr”任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)還是通過(guò)信號(hào)量OSTmrSemSignal來(lái)激活，因此，對(duì)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(shí)器輪，對(duì)定時(shí)器的處理算法如下：
static void OSTmr_Task (void *p_arg)
{
STmrTime = 0；
for(;;)
{
等待OSTmrSemSignal 信號(hào)量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)權(quán)；
STmrTime = OSTmrTime+1；
if (OSTmrTime 8)
{
for OSTmrWheelTbl[OSTmrTime]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do
{
執(zhí)行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調(diào)函數(shù)；
對(duì)于單次定時(shí)器，從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器；
對(duì)于周期性定時(shí)器，則重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；
}
}
else // STmrTime == 8
{
for OSTmrWheelTbl[0]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do
{
ptmr->OSTmrMatch = ptmr->OSTmrMatch – 8;//已經(jīng)經(jīng)過(guò)了8 個(gè)時(shí)鐘滴答；
if (ptmr->OSTmrMatch == 0) //到期定時(shí)值正好是8 的倍數(shù)
{
執(zhí)行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調(diào)函數(shù)；
對(duì)于單次時(shí)鐘，從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器；
對(duì)于周期性時(shí)鐘重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；
continue;
}
if (ptmr->OSTmrMatch 8) //少于8 個(gè)ticks 將到期的定時(shí)器
{
根據(jù)ptmr->OSTmrMatch 的值將ptmr 插入到相應(yīng)的OSTmrWheelTbl
定時(shí)器輪中；
}
}
STmrTime = 0； //重新計(jì)數(shù)滴答；
}
釋放對(duì)OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)權(quán)；
}
}
3.3改進(jìn)的處理算法的效率分析
通過(guò)對(duì)改進(jìn)以后的算法進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：在每一個(gè)時(shí)鐘滴答，如果對(duì)應(yīng)的定時(shí)器輪的OSTmrFirst指針不為NULL，則在該時(shí)鐘滴答有到期的定時(shí)器，需要調(diào)用對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。通過(guò)對(duì)定時(shí)器輪進(jìn)行重新規(guī)劃，避免了不必要的定時(shí)器到期檢查，從而可節(jié)省 CPU時(shí)間，提高了運(yùn)行效率。
4、結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)本文提出的改進(jìn)算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開(kāi)發(fā)板 [3][4]上對(duì)改進(jìn)以后的處理算法進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試中建立了 1000個(gè)軟件定時(shí)器，在其他負(fù)載相同的情況下，通過(guò)μC/OS-II的統(tǒng)計(jì)任務(wù)對(duì) CPU的使用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn) CPU的負(fù)載率降低了約9%。
本文創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)μC/OS-II的定時(shí)器輪進(jìn)行了重新規(guī)劃，使得在每個(gè)時(shí)鐘滴答對(duì)軟件定時(shí)器進(jìn)行處理時(shí)有效提高了到期定時(shí)器的命中率，進(jìn)而降低了 CPU的負(fù)載率。
評(píng)論