嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題分析
TheProblemAnalysisOnThePriorityInversionOfRTOS
杭州?？低晹?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)先級反轉(zhuǎn)的一個實例。實例分析表明：兩個不同優(yōu)先級任務(wù)如果都引入了信號量和中斷，則會出現(xiàn)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)，即高優(yōu)先級任務(wù)被低優(yōu)先級任務(wù)長時間阻塞或阻塞一段不確定的時間。通過本文討論，使人們對嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先級反轉(zhuǎn)有一個更深的認識，有助于在今后的研發(fā)中避免此類問題的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：嵌入式實時系統(tǒng)Vxworks多任務(wù)信號量優(yōu)先級反轉(zhuǎn)
1引言
VxWorks是美國WindRiverSystem公司（即WRS公司）推出的一個實時操作系統(tǒng)，具有良好的可靠性和的實時性。該系統(tǒng)采用基于優(yōu)先級的可搶占式調(diào)度策略，系統(tǒng)為每一個任務(wù)分配一個優(yōu)先級，調(diào)度程序保證當(dāng)前運行的任務(wù)是優(yōu)先權(quán)zui高的任務(wù)。但在實際開發(fā)中，由于任務(wù)間資源共享，信號量及中斷的引入，往往會出現(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)被低優(yōu)先級任務(wù)長時間阻塞(pend)或阻塞一段不確定時間的現(xiàn)象，即所謂的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)（PriorityInversion）。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)會造成任務(wù)調(diào)度的不確定性，嚴重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。本文在參考文獻[1,2]的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際項目開發(fā)過程中遇到的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題，對造成優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的原因及其解決方法進行了探討。
2優(yōu)先級反轉(zhuǎn)一般性描述
優(yōu)先級反轉(zhuǎn)發(fā)生在一個高優(yōu)先級的任務(wù)被迫等待一段不確定時間，等待一個低優(yōu)先級任務(wù)先完成。圖1中3個任務(wù)分別為task1、task2和task3，其優(yōu)先級由高到低。從圖1可知，當(dāng)task3占有由信號量（semaphore）保護的某種共享資源而進入臨界區(qū)執(zhí)行時，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)行一段時間后也進入臨界區(qū)，但此時task3仍占有此臨界資源的信號量，task1被阻塞，等待task3釋放此信號量。在經(jīng)過這么一段時間后，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量才能執(zhí)行；如果這段時間超出task1的Deadline，task1的調(diào)度出現(xiàn)了問題，此時輕則任務(wù)被長時間阻塞，重則造成系統(tǒng)崩潰。優(yōu)先級反轉(zhuǎn)原因可歸納為：高優(yōu)先級的任務(wù)task1由于要等待被低優(yōu)先級任務(wù)task3占有的臨界資源而被task2阻塞，而此時具有中優(yōu)先級的任務(wù)task2搶占了task3的CPU時間,導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。此類優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題的解決方法大致有2種：一種被稱作優(yōu)先級繼承（priorityinheritance）；另一種被稱作優(yōu)先級極限（priorityceilings）。下面介紹本文所遇到的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。
3優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的實例探討
上節(jié)對一般意義上的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)現(xiàn)象進行了描述，本節(jié)涉及的優(yōu)先級反轉(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)項目的需要，要求任務(wù)task1和task2中分別進行調(diào)用微秒級和毫秒級定時器功能函數(shù)，由于S3C2510處理器5個32位定時器(timer)，因此利用其中的兩個即可。其中，ms級定時器實現(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);/*釋放二進制信號量*/
...
}
2)毫秒級定時函數(shù)
voidms_Delay(intms)
{
...
semTake(ID4_Stop,WAIT_FOREVER);
...
}
3)時鐘初始化函數(shù)
voidmsTimer_Init()
ID4_Stop=semCCreate(SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY);/*初始化二進制信號量*/
assert(ID4_Stop);
...
}
us級定時器功能實現(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)用說明：行初始化，然后任務(wù)可隨意調(diào)用定時功能函數(shù)。當(dāng)某個任務(wù)調(diào)用定時功能函數(shù)時，此時該任務(wù)被信號量阻塞，同時定時器開始進行減一計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器減到0時，會產(chǎn)生一個中斷請求信號，此時系統(tǒng)會調(diào)用中斷處理函數(shù)，在中斷處理函數(shù)將信號量釋放，此時信號量變的可用，任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。
當(dāng)在兩個不同優(yōu)先級任務(wù)task1,task2（設(shè)優(yōu)先級分別為93和94）同時運行，并分別調(diào)用us和ms級定時功能函數(shù)時，優(yōu)先級反轉(zhuǎn)出現(xiàn)了，task1會被長時間阻塞。其中，task1和task2的調(diào)用如下：
voidtask1(void)
{
...
FOREVER
{
...
us_Delay();
...
taskDelay(4);
}
voidTask2(void)
{
...
FOREVER
{
ms_Delay();
...
}
上述兩個任務(wù)間間資源是獨立的，但兩個任務(wù)在一起運行時，高優(yōu)先級任務(wù)task1在經(jīng)過一段時間后會被長期阻塞。
解決上述問題的方法比較簡單，只要調(diào)整task1的任務(wù)優(yōu)先級低于task2，這里選為95，則兩個任務(wù)可長時間并行運行。
由于加入了中斷和信號量，使系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度變的復(fù)雜，從而導(dǎo)致兩個原本看似獨立的任務(wù)task1和task2，不能正常并行運行。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)用的一個盲點，但此類問題可通過總結(jié)規(guī)律有效饒開。例如在上述問題中，若task1調(diào)用的定時函數(shù)的定時時間小于task2中的定時時間，則相應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級也應(yīng)task1PriorityTASK2PRIORITY，這樣高優(yōu)先級任務(wù)就不會被阻塞。
4結(jié)論
本文結(jié)合實際例子，對Vxworks中優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題進行了探討，并對此類問題的解決方法進行了描述。本文的探討將使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員更深入了解優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題。文章zui后對優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題作如下歸納：
1）通常條件：信號量引入；
2）發(fā)生時間：高優(yōu)先級的任務(wù)被迫等待一段不確定時間，等待一個低優(yōu)先級任務(wù)完成；
3）造成原因：各異；
4）表現(xiàn)形式：高優(yōu)先級任務(wù)被長時間阻塞。
參考文獻
1、劉輝，孟凡榮，席景科.‘嵌入式實時系統(tǒng)的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題’，單片機嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003.3
2、黨紀紅，李東明，袁贛南.‘Vxworks實時內(nèi)核調(diào)度的研究分析’，應(yīng)用科技，2003.2
