劉長勇,王宜懷

(1.武夷學院 a.數(shù)學與計算機學院;b.認知計算與智能信息處理福建省高校重點實驗室,福建 武夷山 354300；2.蘇州大學 計算機科學與技術(shù)學院,蘇州 215006)

0 引 言

實時操作系統(tǒng)(RTOS：Real-Time Operating System)是應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的一種系統(tǒng)軟件,能提供多任務(wù)管理、同步與通信機制、中斷處理等功能,大多應(yīng)用于對實時性要求較高的場合。在基于RTOS的編程模式下,任務(wù)是按照一定規(guī)則劃分的功能相對獨立的小工程,它由RTOS進行管理與調(diào)度。調(diào)度是RTOS最重要的職責,其本質(zhì)上就是通過列表管理任務(wù)并進行上下文切換。任務(wù)在有些RTOS中也稱為線程。

目前,已有一些研究者對RTOS的調(diào)度策略進行分析。例如,張玉魯[1]指出RT-Thread支持優(yōu)先級搶占和時間片輪轉(zhuǎn)兩種調(diào)度策略,采用線程調(diào)度器實現(xiàn)線程調(diào)度。徐麗華等[2]指出MQX(Message Queue Xecutive)調(diào)度策略包括優(yōu)先級搶占和時間片輪詢方式。馬霽壯[3]指出FreeRTOS通過任務(wù)控制塊進行任務(wù)的管理,調(diào)度算法包括優(yōu)先級的搶占式和同優(yōu)先級下的輪轉(zhuǎn)式,由任務(wù)調(diào)度器實現(xiàn)任務(wù)的切換與保護。張楠[4]指出μC/OS-Ⅱ的調(diào)度方式為靜態(tài)優(yōu)先級搶占式,依據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級實現(xiàn)對任務(wù)的管理和調(diào)度。陳國良等[5]對Linux實時操作系統(tǒng)的EDF(Earliest Deadline First)任務(wù)調(diào)度算法進行改進,提出了LLF(Least Laxity First)調(diào)度算法。何濤[6]闡述了AUTOSAR OS(AU Tomotive Open System Architecture Operaing System)調(diào)度策略包括完全搶占、不可搶調(diào)度和混合調(diào)度策略,由任務(wù)調(diào)度函數(shù)OS_Sched根據(jù)任務(wù)的運行狀態(tài),選擇某種調(diào)度策略完成對任務(wù)的調(diào)度。馬運南[7]指出在Minicore實時操作系統(tǒng)中,任務(wù)調(diào)度使用基于優(yōu)先級和時間片的設(shè)計。Huang等[8]指出OSEK-OS(Offene Systeme and deren Schnittstellen fur dieElektronikim Kraftfahr-zeug-Operaing System)的任務(wù)具有靜態(tài)分配的優(yōu)先級,允許使用所有系統(tǒng)服務(wù),并根據(jù)固定優(yōu)先級調(diào)用搶占式調(diào)度策略。筆者通過闡述ARM Cortex-M4內(nèi)核對RTOS的支持特性,分析了RTOS最常用的優(yōu)先級搶占調(diào)度機制和時間片輪詢調(diào)度機制,展示了mbedOS實現(xiàn)線程調(diào)度的具體方法,并以意法半導體的STM32L431芯片為例給出了mbedOS的線程調(diào)度剖析實踐。實踐表明,SVC(Supervisor Call)中斷、PendSV(Pendable Supervisor)中斷和SysTick中斷能很好地實現(xiàn)對線程的調(diào)度。通過對mbedOS調(diào)度策略的剖析,有助于加深對mbedOS的理解與應(yīng)用,也有利于對其他RTOS的分析。

1 ARM Cortex-M4內(nèi)核對RTOS的支持特性

ARM Cortex-M4是ARM(Advanced RISC Machines)公司2010年推出的32位處理器,主要應(yīng)用于數(shù)字信號控制方面[9],該處理器在設(shè)計時就考慮了對嵌入式實時操作系統(tǒng)的高效支持[10]。

1.1 操作模式

為進一步提高嵌入式系統(tǒng)的可靠性,ARM Cortex-M4支持獨立處理和線程兩種模式,存在調(diào)試和Thumb兩種狀態(tài),允許特權(quán)和非特權(quán)兩種訪問等級。處理模式即Handler模式,是指處理器在執(zhí)行中斷服務(wù)程序等異常的一種模式,具有特權(quán)訪問等級；線程模式是指當使用實時操作系統(tǒng)且執(zhí)行用戶線程時的一種模式,提供特權(quán)和非特權(quán)訪問等級。調(diào)試狀態(tài)是指當處理器被暫停指令執(zhí)行后所處的狀態(tài)；Thumb狀態(tài)是指處理器在執(zhí)行Thumb指令(程序代碼)時所處的狀態(tài)。

1.2 寄存器及雙棧指針

ARM Cortex-M4處理器提供了數(shù)據(jù)處理與控制寄存器、特殊功能寄存器和浮點寄存器,其中R0-R12作為通用目的寄存器。在mbedOS中,R12存放被調(diào)用函數(shù)的入口地址；R13為棧指針,即可作為主棧指針MSP(Main Stack Pointer)使用,也可作為線程棧指針PSP(Process Stack Pointer)使用,MSP用于處理模式,PSP用于線程模式；R14即連接寄存器LR(Link Register),用于保存函數(shù)或子程序調(diào)用時的返回地址；R15即程序計數(shù)器PC(Program Counter),其內(nèi)容是下一條將要執(zhí)行指令的地址；xPSR即程序狀態(tài)字寄存器,存放程序執(zhí)行過程中的各種狀態(tài)信息。ARM架構(gòu)定義了一個特殊值EXC_RETURN,用于異常返回機制。該值在異常被接收并且壓棧完成后自動存儲到連接寄存器LR(R14)中。EXC_RETURN值為32位,但高27位都為1,在Cortex-M4中,第0位是保留位,且必須為1,EXC_RETURN的合法值有6個,如表1所示。

表1 EXC_RETURN的值Tab.1 Value of EXC_RETURN

1.3 SysTick中斷

ARM Cortex-M4系列內(nèi)核中包含了一個24位的“嘀嗒”定時器SysTick,采用減1計數(shù)方式,其異常編號為15,IRQ(Interrupt Request)號為-1,且優(yōu)先級可編程設(shè)置,中斷觸發(fā)示例如圖1所示。在帶有實時操作系統(tǒng)的嵌入式工程中,使用SysTick中斷可定期觸發(fā)RTOS內(nèi)核,實現(xiàn)任務(wù)的管理與調(diào)度,也使同一個RTOS可用在多種ARM Cortex-M微控制器上。

1.4 SVC中斷

為實現(xiàn)用戶程序?qū)ο到y(tǒng)硬件的間接訪問,ARM Cortex-M4系列內(nèi)核支持系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用(SVC)方式,由RTOS內(nèi)核為用戶提供系統(tǒng)服務(wù)函數(shù),讓用戶通過SVC指令的方式實現(xiàn)對其的調(diào)用請求。通常SVC中斷被觸發(fā)后會被立即執(zhí)行,精確性較高,常用于上下文切換,其異常編號為11,IRQ號為-5,且優(yōu)先級可編程設(shè)置,中斷觸發(fā)示例如圖2所示。

圖1 SysTick中斷觸發(fā)的簡單示例 圖2 SVC中斷觸發(fā)的簡單示例 Fig.1 Simple example of SysTick interrupt trigger Fig.2 Simple example of SVC interrupt trigger

1.5 PendSV中斷

可掛起系統(tǒng)調(diào)用(PendSV)在功能上與SVC類似,但它是不精確的,常用于上下文切換,其異常編號為14,IRQ號為-2,且優(yōu)先級可編程設(shè)置。通常將PendSV設(shè)置為較低的優(yōu)先級,當在一個中斷中或中斷被屏蔽的情況下調(diào)用了一個可允許在中斷中執(zhí)行的操作函數(shù)時(如在中斷中調(diào)用線程信號設(shè)置函數(shù)),系統(tǒng)會在更高優(yōu)先級中斷內(nèi)將其設(shè)置為掛起狀態(tài),直到該高優(yōu)先級中斷處理結(jié)束,被推遲的PendSV中斷才會被觸發(fā)并開始執(zhí)行,中斷觸發(fā)示例如圖3所示。

圖3 PendSV中斷觸發(fā)的簡單示例Fig.3 Simple example of PendSV interrupt trigger

1.6 上下文切換

任務(wù)上下文是指任務(wù)在運行的任一時刻,ARM Cortex-M4處理器內(nèi)部寄存器的值[11]。這些寄存器包括通用寄存器R0-R12、連接寄存器LR、程序計數(shù)器PC和程序狀態(tài)字寄存器xPSR。

在RTOS中,當內(nèi)核需調(diào)度運行其他任務(wù)時,要將正在運行任務(wù)(上文)的狀態(tài)信息保存到自己的任務(wù)堆棧中,然后把下一個將要運行任務(wù)(下文)的狀態(tài)信息從其任務(wù)堆棧中恢復到CPU的寄存器,這個過程稱為上下文切換。在此過程中,R0-R3、R12、R14(LR)、R15(PC)和xPSR 8個寄存器的內(nèi)容由硬件自動完成進棧和出棧,而R4-R11 8個寄存器內(nèi)容則由用戶自行保存進棧和恢復出棧。

2 RTOS調(diào)度策略

由于嵌入式系統(tǒng)的資源相對PC機比較匱乏,要在嵌入式系統(tǒng)中運行RTOS實現(xiàn)多任務(wù)的管理,首要考慮任務(wù)調(diào)度策略問題,其好壞直接影響到系統(tǒng)的實時性能。目前,RTOS的調(diào)度策略主要有：優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度、零星調(diào)度和顯示調(diào)度等,包括mbedOS在內(nèi)的大多數(shù)RTOS都采用前兩者調(diào)度策略,Nuttx除采用前兩種調(diào)度外,還采用了零星調(diào)度策略[12],顯示調(diào)度的方式是用命令直接讓其運行,在RTOS中很少用到。下面將分析優(yōu)先級搶占調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度這兩種最常用的調(diào)度策略。

2.1 優(yōu)先級搶占調(diào)度

為便于RTOS根據(jù)任務(wù)的輕重緩急進行調(diào)度,在任務(wù)創(chuàng)建時會為每個任務(wù)設(shè)置一個優(yōu)先級(即優(yōu)先等級參數(shù)),RTOS會根據(jù)各個任務(wù)的優(yōu)先級高低,決定處理各個任務(wù)的先后次序。不同的RTOS,對任務(wù)優(yōu)先級數(shù)值的大小與任務(wù)優(yōu)先級的高低關(guān)系的定義不同,如在mbedOS中,優(yōu)先級數(shù)值越大表示線程的優(yōu)先級越高；而優(yōu)先級數(shù)值越小表示任務(wù)的優(yōu)先級越高的RTOS有MQX[13]和RT-Thread[14]。優(yōu)先級搶占調(diào)度是指,總是讓優(yōu)先級最高的處于就緒態(tài)的任務(wù)最先運行。

2.2 時間片輪詢調(diào)度

時間片輪詢調(diào)度策略是指為了能讓各個任務(wù)都能得到調(diào)度運行,對優(yōu)先級相同的任務(wù)采用時間片輪詢方式,給各個任務(wù)分配固定的時間片分享CPU的使用。在mbedOS的時間片輪詢調(diào)度策略中,一個時間片為5個時間嘀嗒。

3 mbedOS調(diào)度實現(xiàn)

不同RTOS對調(diào)度策略的實現(xiàn)不同。在RT-Thread中,調(diào)度策略采用PendSV中斷和SysTick中斷實現(xiàn)[15]。在MQX中,調(diào)度策略采用SVC中斷和PendSV中斷實現(xiàn)[16]。在mbedOS中,調(diào)度策略通過SVC中斷、PendSV中斷和SysTick中斷實現(xiàn),它們都能對線程進行管理、調(diào)度以及上下文切換,其中上下文切換都采用相同的代碼,該代碼在SVC中斷處理程序SVC_Handler中。下面將剖析這3種中斷的具體實現(xiàn)方法。

3.1 SVC中斷的實現(xiàn)

圖4 SVC_Handler函數(shù)執(zhí)行流程Fig.4 Flow chart of SVC_Handler function execution

在mbedOS中,SVC中斷是通過執(zhí)行SVC 0指令產(chǎn)生的,SVC 0就是調(diào)用0號系統(tǒng)服務(wù),在SVC指令執(zhí)行完后會觸發(fā)SVC中斷處理程序SVC_Handler,在程序中會根據(jù)這個系統(tǒng)服務(wù)號(0)決定執(zhí)行相應(yīng)操作。

3.1.1 SVC_Handler函數(shù)主要功能

SVC中斷處理程序SVC_Handler的主要功能包括根據(jù)EXC_RETURN值判斷是使用主棧(MSP)還是線程棧(PSP),取出SVC指令的調(diào)用號(0)；調(diào)用觸發(fā)SVC異常函數(shù),即R12中的函數(shù)；根據(jù)當前OS實時狀態(tài)osRtxInfo中的線程運行信息,決定是否進行上下文切換與線程切換；使用不同EXC_RETURN返回。其執(zhí)行流程如圖4所示。

3.1.2 上下文切換的關(guān)鍵代碼分析

SVC_Handler函數(shù)中上下文切換主要是判斷當前運行線程與下一線程是否不同。若不同,則需要保存當前線程的上下文,恢復下一線程的上下文,然后進行線程切換,其關(guān)鍵代碼分析如下。

SVC_Context:

LDR R3,=osRtxInfo+I_T_RUN_OFS //R3←當前運行線程存放的地址

LDM R3,{R1,R2} //R1←當前運行線程；R2←下一個線程

CMP R1,R2 //判斷是否需要線程切換

IT EQ

BXEQ LR //線程相同,不需要切換

CBNZ R1,SVC_ContextSave //不同,進行線程切換

TST LR,#0x10

BNE SVC_ContextSwitch //存在擴展堆棧幀,跳線程切換

SVC_ContextSave: //保存當前線程(R1)的上下文、棧指針和棧幀信息

STMDB R12!,{R4-R11} //保存當前線程(R1)的上下文

STR R12,[R1,#TCB_SP_OFS] //保存R1的棧指針

STRB LR,[R1,#TCB_SF_OFS] //保存R1的棧幀信息

SVC_ContextSwitch://線程切換

STR R2,[R3] //下一線程R2作為當前線程

SVC_ContextRestore://恢復下一線程(R2)的上下文

LDRB R1,[R2,#TCB_SF_OFS] //恢復下一線程R2的棧幀信息

LDR R0,[R2,#TCB_SP_OFS] //恢復R2的棧指針

ORR LR,R1,#0xFFFFFF00 //設(shè)置返回線程模式

LDMIA R0!,{R4-R11} //恢復R2的上下文

MSR PSP,R0 //使用PSP棧指針

BX LR //退出

3.2 PendSV中斷的實現(xiàn)

在mbedOS中,PendSV中斷一般出現(xiàn)在：當在一個中斷函數(shù)中或中斷被屏蔽的情況下調(diào)用了一個可以允許在中斷上下文中執(zhí)行的操作函數(shù)時,系統(tǒng)會進入該操作函數(shù),執(zhí)行推遲PendSV中斷操作,而當中斷程序執(zhí)行完后才會轉(zhuǎn)到執(zhí)行PendSV中斷。PendSV_Handler函數(shù)主要功能包括調(diào)用osRtxPendSV_Handler函數(shù)(完成從中斷隊列中取對象類型,根據(jù)對象的類型執(zhí)行相應(yīng)處理函數(shù),取就緒列表中最高優(yōu)先級線程)、跳到SVC_Handler函數(shù)中的SVC_Context處開始上下文切換,其執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 PendSV_Handler函數(shù)執(zhí)行流程Fig.5 Flow chart of PendSV_ Handler function execution

3.3 SysTick中斷的實現(xiàn)

在mbedOS中,內(nèi)核時鐘頻率采用48 MHz,1個時間嘀嗒為1 ms,每個時間片為5個時間嘀嗒。當一個時間嘀嗒到時,則產(chǎn)生SysTick中斷一次,在中斷服務(wù)程序SysTick_Handler中完成對線程的管理和調(diào)度。SysTick_Handler主要功能包括：從延時列表移出到期線程,并加到就緒列表中；若就緒列表最高優(yōu)先級線程的優(yōu)先級高于正在運行的線程優(yōu)先級,則搶占當前運行的線程；當時間片到,則優(yōu)先級相同的線程之間采用輪詢調(diào)度策略；跳到SVC_Handler函數(shù)中的SVC_Context處開始上下文切換,其執(zhí)行流程如圖6所示。

圖6 SysTick_Handler函數(shù)執(zhí)行流程Fig.6 SysTick_ Handler function execution flow

4 mbedOS線程調(diào)度實踐分析

2014年ARM公司推出了mbedOS,它是一種專為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中的“物體”設(shè)計的開源嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)[17],具備一般RTOS的基本功能,其在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺[18]、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[19]、通信技術(shù)與安全訪問服務(wù)機制[20]、協(xié)議棧與IP網(wǎng)絡(luò)組件[21]等方面得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)針對mbedOS實時操作系統(tǒng),給出具體延時響應(yīng)的實踐分析。

mbedOS的延時響應(yīng)測試工程采用SD-mbedOS工程框架[22],在Kinetis Design Studio 3.0.0 IDE集成開發(fā)環(huán)境和基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32微控制器[23]上進行測試。Stm32片內(nèi)Flash大小為256 kByte,主要用于中斷向量和程序代碼等的保存；片內(nèi)RAM大小為32 kByte,主要用于各類變量的存儲。

4.1 功能設(shè)計

測試工程的功能是由主線程創(chuàng)建3個優(yōu)先級相同的用戶線程,分別為紅燈線程、藍燈線程和綠燈線程,紅燈線程與串口采用事件進行通信,綠燈線程每隔10 s實現(xiàn)綠燈閃爍一次；藍燈線程每隔5 s實現(xiàn)藍燈閃爍一次,測試工程的執(zhí)行流程如圖7所示。

圖7 測試工程執(zhí)行流程Fig.7 Test engineering execution process

4.2 流程分析

在測試工程中,先后共創(chuàng)建了6個線程,其相關(guān)信息如表2所示。在啟動mbedOS的過程中依次創(chuàng)建了主線程、空閑線程和定時器線程,且為就緒態(tài),都被放入到就緒隊列中[24]。由于此時內(nèi)核中無其他線程,且定時器線程的優(yōu)先級最高,因此會觸發(fā)SVC中斷進行第1次上下文切換,將定時器線程作為當前線程且恢復其上下文信息。當定時器線程被調(diào)度執(zhí)行時,會因為獲取消息失敗而被阻塞,此時從就緒隊列取出主線程作為當前線程,觸發(fā)SVC中斷進行第2次上下文切換,保存定時器線程的上下文,同時恢復主線程的上下文。當主線程被調(diào)度執(zhí)行時,依次創(chuàng)建和啟動紅燈線程、藍燈線程和綠燈線程3個優(yōu)先級相同的線程,之后主線程也被阻塞。此時,在就緒隊列中剩下紅燈線程、藍燈線程、綠燈線程和空閑線程這4個線程。

表2 線程信息一覽表Tab.2 Thread information list

由于紅燈線程最先被啟動且優(yōu)先級與藍燈線程、綠燈線程相同,因此它被最先取出觸發(fā)SVC中斷與主線程進行第3次上下文切換,然后被調(diào)度執(zhí)行。之后,紅燈線程、藍燈線程和綠燈線程由于優(yōu)先級相同將按時間片輪詢方式被調(diào)度執(zhí)行,當這3個線程因延時或等待事件位,會被放入到延時等待列表和事件阻塞列表,此時空閑線程被調(diào)度執(zhí)行。當藍燈線程和綠燈線程因延時到期,由于它們的優(yōu)先級大于空閑線程的優(yōu)先級,所以會在SysTick中斷期間從延時列表移出并放到就緒列表中,按優(yōu)先級搶占方式進行上下文切換,之后被調(diào)度執(zhí)行。當產(chǎn)生串口接收中斷時,先掛起PendSV中斷,當串口中斷執(zhí)行結(jié)束后,會觸發(fā)PendSV中斷設(shè)置紅燈線程等待的事件位,將紅燈線程從等待列表和事件阻塞列表移出并放到就緒列表中,然后進行上下文切換,之后紅燈線程被調(diào)度執(zhí)行。整個測試工程的運行結(jié)果如圖8所示,從圖8中可以看到SVC中斷、PendSV中斷和SysTick中斷對線程的調(diào)度情況。

圖8 3種中斷的線程調(diào)度情況Fig.8 Thread scheduling of three interrupts

5 結(jié) 語

RTOS的最主要功能之一就是線程調(diào)度,調(diào)度策略的優(yōu)劣直接影響到RTOS的實時性。筆者在分析ARM Cortex-M4內(nèi)核對RTOS的支持特性和分析RTOS常用調(diào)度機制的基礎(chǔ)上,給出了mbedOS對調(diào)度策略的實現(xiàn)方法。實踐表明,SVC中斷、PendSV中斷和SysTick中斷3種調(diào)度實現(xiàn)方法能有效地實現(xiàn)線程上下文切換。通過對mbedOS的調(diào)度策略和實現(xiàn)方法的剖析,有助于加深對線程調(diào)度的理解,為分析其他實時操作系統(tǒng)提供借鑒。