缩短μC/OS-II实时内核中断关闭时间的方法设计

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引 言 　　

        在实时操作系统中，由于是多任务的并发运行，所以在进入一些临界区时为了保证多任务的正常运行要关中断。而最大关中断时间是衡量一个实时操作系统性能的重要指标，因为外部的输入一般都是通过中断方式来通知系统的，系统如果关中断时间长，必然不能及时接收中断，对中断的及时处理就更谈不上。

更重要的是，有些应用场合对关中断的时间有非常严格的要求。例如，在电力系统微机继电保护装置中，对电流A/D采样时，为了保障对采样值的正确处理，定时中断的每一个周期时间都必须及时采样。试想，如果定时器设置的周期时间到，定时器中断产生，但恰恰这时系统处于关中断时间，系统就不能及时进行采样;而当关中断时间过长，超过一定的值时，系统再来进行采样，依据此采样值的计算结果就会出错。所以，在这样的场合中，一种实时操作系统的最大关中断时间就成为该种实时操作系统能否成功运用的最关键的因素。

笔者将以μC/OS-II实时内核为例，通过对μC/OS-II的改进，向读者描述一种缩短实时操作系统中断关闭时间的方法。之所以选择μC/OS-II，一是因为读者容易获得相关代码，国内很多读者也对μC/OS-II有一定程度的了解;二是因为其自身结构简单，适合运用于低档嵌入式处理器，关中断时间的问题更加突出。低档嵌入式处理器的处理速度慢，在关中断时间里处理相同的软件代码，花费的时间更长，相对地延长了关中断时间，这时尽量从软件着手解决关中断时间的问题。

　　1 系统状态标志法概述 　　

        μC/OS-II中在进入临界区之前为什么要关闭中断?通过相关资料[1]的介绍和对μC/OS-II源代码的理解，我们知道在μC/OS-II中一旦不关中断就进入临界区。当某一任务进入临界区时，若恰好发生中断，那么这时有可能引起两种对临界区操作的冲突：①在中断服务程序中要操作同一临界区;②因为中断的产生而引起任务的转换，在新的任务中要操作同一临界区。所以μC/OS-II中在进入临界区前要关闭中断。

针对μC/OS-II关中断机制的分析，考虑用一种系统状态标志法来解决这样的临界冲突。在μC/OS-II增加一个全局布尔变量来表示系统的状态，称为"系统状态标志"。

对于μC/OS-II中所有可以在中断中出现又要对临界区操作的函数，可以在进入临界区之前先查询系统状态标志。如果目前系统没有进入临界操作状态，则首先将该标志置位，表示系统进入临界操作状态，然后该函数就可以操作临界区;而如果发现系统已进入临界操作状态，则将该函数对临界区操作的部分单独形成一个函数，放到一个系统循环函数数组里，等待系统任务调度时执行。

对于μC/OS-II中所有不可能在中断程序中出现而又要对临界区操作的函数，因为函数不在中断中出现，所以函数开始时系统状态标志肯定不会在临界操作状态，因此可在函数操作临界区时直接将系统状态标志置位，表示系统进入临界操作状态，然后即可进行临界区的操作。

系统状态标志的复位在任务调度函数中执行。当然对系统状态标志的设置是要在关中断的条件下执行的，这应该算是系统新的一个临界区。

　　2 该方法的具体实现

下面以对μC/OS-II v2.61代码的改进为例，具体讲解该方法的具体实现。

        2.1 任务调度函数OS_Sched的修改

修改后的任务调度函数OS_Sched的伪代码如下：

因为在任务调度函数OS_Sched中要执行循环函数数组里的函数，同时还要对系统状态标志复位，退出系统临界操作状态，所以修改过的函数在遇到以下3种情况--该函数是在中断里调用时、在任务调度锁定时、当前任务就是最高优先级任务时，都将执行系统循环函数数组里的函数，并将系统状态标志复位，而原任务调度函数在遇到以上3种情况时是直接返回的。
　　2.2 增加任务重调度函数OS_Resched

任务重调度函数OS_Resched的伪代码如下：

任务重调度函数在以下两处执行：

(1) 当μC/OS-II将当前任务控制块压栈，而还没有将最高优先级任务的控制块弹出栈时执行，因为这时在系统循环函数数组里有可能还有未执行的函数，这些函数的执行有可能导致另外一个更高优先级任务的就绪。

(2) 在中断服务函数的末尾执行。如果μC/OS-II中断返回函数返回的是一个真值，则表示需要执行重调度函数，这时就要执行重调度函数。

2.3 中断返回函数OSIntExit的修改

中断返回函数OSIntExit的伪代码如下：

原函数的返回是void，而改动后的函数返回一个布尔量，用来表示下一步是要正常中断返回(返回布尔假值时)，还是要调用任务重调度函数(返回布尔真值时);同时，改动后还增加对系统状态标志的查询，如果发现系统在临界操作状态，则直接返回布尔假值。所以在中断服务程序的最后不是象原来那样简单的调用，而是调用后根据返回值作相应的处理。

2.4 信号量发送函数OSSemPost的修改

这里将以信号量发送函数OSSemPost为例来描述对可在中断中调用而又会对临界区操作的函数的改进。对于μC/OS-II中的其他函数，改进的方法大致相同。

信号量发送函数OSSemPost的伪代码如下：

在这里，改动后的函数将先判断系统状态标志，如果系统在临界区操作状态，则将临界操作作为另一个函数放入全局函数循环数组，等待在任务调度时执行，如果不在临界区操作状态，则关中断后将系统状态标志置位，然后开中断进行原函数的那些临界操作和任务调度。

2.5 信号量等待函数OSSemPend的修改

同理，这里以信号量等待函数OSSemPend为例来描述对不能在中断中调用而又会对临界区操作的函数的改进。

信号量等待函数OSSemPend的伪代码如下：

在这里，改动后的函数先将系统状态标志置位，然后进行原来函数的临界区操作。需要说明的是，对于函数因为等待信号量时间到、还未获取信号量而返回的情况的处理机制，改动后的函数与原函数不同，改动后的函数将OS_EventTO函数放到时间节拍函数OSTimeTick中执行，并将OS_EventTO函数的输入参数由原来的事件pevent指针，改为任务控制块指针ptcb，因为在函数OSTimeTick中是按照任务控制块指针操作的。

　　结语

上述方法已经在笔者的一个电力微机继电保护项目中成功运用，该方面的实现，提高了μC/OS-II的性能，扩大了μC/OS-II的应用范围，使得单边及工程师能更好的利用μC/OS-II提高嵌入式软件编程水平。特别要说明的是，虽然笔者是以μC/OS-II为例来介绍的，但该方法的原理可以运用到其他实时操作系统上，笔者正在将该方法在实时操作系统RTEMS上实现。从这个意义上讲，该方法的提出也对那些致力于编写自己的实时操作系统的嵌入式软件工程师具有借鉴意义。