實時作業系統的任務排程示例之搶占

2021-07-14 15:33:28 字數 4375 閱讀 8291

什麼是任務搶占?

實時作業系統大多都是基於優先順序排程的搶占式的核心,這句話每本關於rtos的資料都有。樓主最怕這種每個字都認識,但連到一起就很不好理解的書面語言。直白點說,就是:

1 每個任務都有自己的優先順序,一般都是在create_task的時候以函式入參的形式確定,有的rtos也提供api允許應用程式在task執行起來後,動態修改其優先順序(

xx_create_task,xx_

change_priority)

2 任務一般分為幾種狀態:就緒、執行、阻塞、掛起等等。為方便理解,就認為是兩種情況,可執行和不可執行。

那task什麼時候不可執行呢?例如task自己呼叫了suspend函式把自己掛起;或者本文用到的任務阻塞在乙個訊息佇列上等待訊息,而此時訊息佇列裡沒有內容,這種情況下任務就會處於不可執行狀態

3 如果有處於可執行狀態的高優先順序task,那麼低優先順序的task只能等待到它執行結束或者轉為不可執行的狀態,才有可能獲得cpu

4 也是最有意思的地方,高優先順序的task一旦獲得的可繼續執行的資源,就會立刻打斷低優先順序任務的執行。

不過這是前提的,就是該低優先順序是「允許搶占的」。

任務搶占的演示

本文以幾個簡單的實驗來引入這些概念,並清楚的演示什麼是「搶占式」核心,使用的rtos是nucleus。

在main函式(系統啟動後的第乙個任務)裡建立兩個task,task_send和task_receive,和乙個訊息佇列test_queue用於這兩個task之間的通訊 

nu_create_queue(&test_queue,

"test_q",

queue_buf,

queue_size,

nu_fixed_size,

1, nu_fifo);

nu_create_task(&sendtask,

"",task_send,

0,nu_null,

task_stack,

stack_size,

51,0,

nu_preempt, nu_start);

nu_create_task(&receivetask, "" ,task_receive,  0,  nu_null, task_stack, stack_size, 50, 0,nu_preempt, nu_start);

請特別注意標註顏色的引數。

紅色引數表示為任務的優先順序,數字越小代表優先順序越高。這裡task_send是51,task_receive是50,那麼task_receive的優先順序較高

綠色引數表明了該任務是否允許被搶占,nu_preempt表示允許,nu_no_preempt相反

這兩個task的執行函式分別如下:

void task_receive(unsigned argc, void *argv)}

void task_send(unsigned argc, void *argv)}

程式很簡單,其執行起來後,輸出的log如下:

[0:0:1:419] before send msg 1

[0:0:1:419] recved a msg  1

[0:0:1:419] aftersend msg 1

[0:0:3:919] before send msg2

[0:0:3:920] recved a msg 2

[0:0:3:920] after

send msg2

......

從log中可以清晰的看到,

task_send首先列印「before send msg」,然後在

task_send傳送了乙個訊息之後,等待在該訊息佇列上的

task

_receive立刻解除阻塞,並且判斷當前task

_receive的是系統中優先順序最高的task,於是發生了一次「任務搶占」,task

_receive瞬間獲得cpu,將task

_send推在一邊開始自己執行,並輸出了log,緊接著又再次阻塞在訊息佇列上。核心再排程task_send繼續執行,列印「

after

send msg

」,然後睡眠2秒,開始下次迴圈。

如果在task建立的時候將優先順序和是否允許搶占的引數修改一下,情況就會變得不同

nu_create_task(&sendtask,

"",task_send,

0,nu_null,

task_stack,

stack_size,

50,0,

nu_preempt, nu_start);

nu_create_task(&receivetask, "" ,task_receive,  0,  nu_null, task_stack, stack_size, 50, 0,nu_preempt, nu_start);

如上,將兩個task的優先順序設定為相同,再次執行,log輸出情況就會變成:

[0:0:1:419] before send msg 1

[0:0:1:419] after send msg 1

[0:0:1:419] recved a msg  1

[0:0:3:919] before send msg 2

[0:0:3:920] after send msg 2

[0:0:3:920] recved a msg 2

......

task_send首先列印「

before send msg

」,傳送乙個訊息給佇列,核心將訊息傳到佇列之後,發現等待在佇列上的任務優先順序並不比當前執行的task要高,則不會重新執行一次任務排程,而讓task_send繼續執行。task_send列印「

after send msg

」之後,開始進入睡眠,主動放棄cpu,這時task

_receive得到執行,輸出log "recved a msg",緊接著再次阻塞在佇列上,進入下次迴圈。

如果建立task的時候,將入參改為下面這樣,得到的實驗結果和前面一次也是一樣的

nu_create_task(&sendtask,

"",task_send,

0,nu_null,

task_stack,

stack_size,

51,0,

nu_no_preempt, nu_start);

nu_create_task(&receivetask, "" ,task_receive,  0,  nu_null, task_stack, stack_size, 50, 0,nu_preempt, nu_start);

task_send設定了不可搶占屬性,這樣即使傳送訊息以後,nucleus核心判斷到task_receive的優先順序較高,但由於task_send不可被搶占,只能等到task_send主動放棄cpu的時候(nu_sleep)才能得到執行。

任務搶占是怎麼做到的?

現在來看看nucleus的核心裡是怎麼實現的這套機制,原始碼面前,了無秘密

nu_receive_from_queue-->

quc_receive_from_queue-->

/* determine if there are messages in the queue.  */ //判斷當前訊息佇列裡是否有訊息

if (queue -> qu_messages)   

else   //沒有訊息,判斷是否需要阻塞

} nu_send_to_queue-->

quc_send_to_queue-->

在該函式裡,nucleus會根據msg queue結構體裡的qu_suspension_list來判斷是否有訊息佇列阻塞,如果有,將其喚醒

/* wakeup the waiting task and check for preemption.  */

preempt = tcc_resume_task((nu_task *) suspend_ptr -> qu_suspended_task,nu_queue_suspend);

/* determine if preemption needs to take place. */

if (preempt)

tct_control_to_system();  //它類似於linux的schedule函式,將控制權交還給核心,由核心來決定下乙個要執行的task是誰

tcc_resume_task函式的返回值決定了是否需要發生任務搶占,它內部最關鍵的**片段如下:    

/* determine if this newly ready task is higher priority

than the current task.  */

if ((int) (task -> tc_priority) < tcd_highest_priority) }

return status;

over

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