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嵌入式系统优先级反转问题分析
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要:本文介绍了嵌入式系统任务调度优先级反转的一个实例。实例分析表明:两个不同优先级任务如果都引入了信号量和中断,则会出现优先级反转,即高优先级任务被低优先级任务长时间阻塞或阻塞一段不确定的时间。通过本文讨论,使人们对嵌入式系统优先级反转有一个更深的认识,有助于在今后的研发中避免此类问题的发生。
关键词:嵌入式实时系统 Vxworks 多任务 信号量 优先级反转

1 引言
  VxWorks是美国Wind River System公司(即WRS公司)推出的一个实时操作系统,具有良好的可靠性和卓越的实时性。该系统采用基于优先级的可抢占式调度策略,系统为每一个任务分配一个优先级,调度程序保证当前运行的任务是优先权最高的任务。但在实际开发中,由于任务间资源共享,信号量及中断的引入,往往会出现高优先级任务被低优先级任务长时间阻塞(pend)或阻塞一段不确定时间的现象,即所谓的优先级反转(Priority Inversion)。优先级反转会造成任务调度的不确定性,严重时可能导致系统崩溃。本文在参考文献[1,2]的基础上,结合实际项目开发过程中遇到的优先级反转问题,对造成优先级反转的原因及其解决方法进行了探讨。

2 优先级反转一般性描述
  优先级反转发生在一个高优先级的任务被迫等待一段不确定时间,等待一个低优先级任务先完成。图1中3个任务分别为task1、task2和task3,其优先级由高到低。从图1可知,当task3占有由信号量(semaphore)保护的某种共享资源而进入临界区执行时,task1就绪,由于系统可抢占式PBP(Priority Based Preemptive)调度策略,因此task1抢占task3执行。task1执行一段时间后也进入临界区,但此时task3仍占有此临界资源的信号量,task1被阻塞,等待task3释放此信号量。在经过这么一段时间后,task2已处于就绪状态,于是系统调度task2执行。如果task3在task2的执行期间一直没有能够被调度执行的话,那task1和task3将一直等到task2执行完后才能执行,task1更要等到task3释放它所占有的信号量才能执行;如果这段时间超出task1的Deadline,task1的调度出现了问题,此时轻则任务被长时间阻塞,重则造成系统崩溃。优先级反转原因可归纳为:高优先级的任务task1由于要等待被低优先级任务task3占有的临界资源而被task2阻塞,而此时具有中优先级的任务task2抢占了task3的CPU时间,导致task2先于task1执行。此类优先级反转问题的解决方法大致有2种:一种被称作优先级继承(priority inheritance);另一种被称作优先级极限(priority ceilings)。下面介绍本文所遇到的优先级反转问题。  

3 优先级反转的实例探讨
  上节对一般意义上的优先级反转现象进行了描述,本节涉及的优先级反转则较上述更为复杂,更具有隐蔽性。
  本文采用的嵌入式微处理器为S3C2510, CPU核为Arm940T,SAMSUNG公司制造。应项目的需要,要求任务task1和task2中分别进行调用微秒级和毫秒级定时器功能函数,由于S3C2510处理器5个32位定时器(timer),因此利用其中的两个即可。其中,ms级定时器实现的代码架构如下:
  1) 中断处理函数:
  LOCAL void Timer1_Int_Handle(void)
  {
  *S3C2510_TIC |= S3C2510_TIC_T1;/*清除中断*/
  ...
  semGive(TelID4_Stop);/*释放二进制信号量*/
  ...
  }
  2) 毫秒级定时函数
  void ms_Delay(int ms)
  {
  ...
  semTake(TelID4_Stop,WAIT_FOREVER);
  ...
  }
  3) 时钟初始化函数
  void msTimer_Init()
  TelID4_Stop=semCCreate(SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY);/*初始化二进制信号量*/
  assert(TelID4_Stop);
  ...
  }
  us级定时器功能实现的代码与上面类似,这里不再给出相应的代码。函数调用说明:先进行初始化,然后任务可随意调用定时功能函数。当某个任务调用定时功能函数时,此时该任务被信号量阻塞,同时定时器开始进行减一计数,当计数器减到0时,会产生一个中断请求信号,此时系统会调用中断处理函数,在中断处理函数将信号量释放,此时信号量变的可用,任务继续执行。
  当在两个不同优先级任务task1,task2(设优先级分别为93和94)同时运行,并分别调用us和ms级定时功能函数时,优先级反转出现了,task1会被长时间阻塞。其中,task1和task2的调用如下:
  void task1(void)
  {
  ...
  FOREVER
  {
  ...
  us_Delay();
  ...
  taskDelay(4);
  }
  void Task2(void)
  {
  ...
  FOREVER
  {
  ms_Delay();
  ...
  }
  上述两个任务间间资源是独立的,但两个任务在一起运行时,高优先级任务task1在经过一段时间后会被长期阻塞。
  解决上述问题的方法比较简单,只要调整task1的任务优先级低于task2,这里选为95,则两个任务可长时间并行运行。
  由于加入了中断和信号量,使系统任务调度变的复杂,从而导致两个原本看似独立的任务task1和task2,不能正常并行运行。造成此类现象的原因分析极其复杂,可视为是系统应用的一个盲点,但此类问题可通过总结规律有效饶开。例如在上述问题中,若task1调用的定时函数的定时时间小于task2中的定时时间,则相应的任务优先级也应task1PriorityTASK2PRIORITY,这样高优先级任务就不会被阻塞。

4 结论
  本文结合实际例子,对Vxworks中优先级反转问题进行了探讨,并对此类问题的解决方法进行了描述。本文的探讨将使嵌入式系统开发人员更深入了解优先级反转问题。文章最后对优先级反转问题作如下归纳:
  1) 通常条件:信号量引入;
  2) 发生时间:高优先级的任务被迫等待一段不确定时间,等待一个低优先级任务完成;
  3) 造成原因:各异;
  4) 表现形式:高优先级任务被长时间阻塞。