嵌入式實時系統(tǒng)中的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題

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1、嵌入式實時系統(tǒng)中的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題

2、第1lunal>關(guān)鍵詞：嵌入式實時系統(tǒng)多任務(wù)信號量優(yōu)先級反轉(zhuǎn)1問題的提出　　目前，市場上占有率比較高的商業(yè)RTOS有Vxaphore）的機制來實現(xiàn)對共享資源的管理。任何一個想使用臨界資源（如打印機等共享資源）的進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)（如task1或task2中訪問臨界資源的代碼）之前必須擁有使用臨界資源的信號量，否則不可以執(zhí)行臨界區(qū)代碼。假設(shè)系統(tǒng)中有3個任務(wù)，分別為task1、task2和task3。task1的優(yōu)先權(quán)高于task2，而task2的優(yōu)先權(quán)高于task3。恰在此時task

3、1和task2因某種原因被阻塞，這時候系統(tǒng)調(diào)度task3執(zhí)行。task3執(zhí)行一段時間后，task1被喚醒。由于采取的是PBP的調(diào)度策略，因此task1搶占task3的CPU,task1執(zhí)行。task1執(zhí)行一段時間后要進(jìn)入臨界區(qū)，但此時task3占有此臨界資源的信號量。因此task1被阻塞，處于等待狀態(tài)，等待task3釋放此信號量。經(jīng)過這么一段時間后，task2此時此刻處于就緒狀態(tài)。因此系統(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task

4、2執(zhí)行完后才能執(zhí)行，task1更要等到task3釋放它所把持的信號量才能執(zhí)行；而這段時間完全有可能超出task1的Deadline，使得task1崩潰。當(dāng)系統(tǒng)看到有高優(yōu)先級的任務(wù)崩潰時候，系統(tǒng)認(rèn)為此時有重大事故發(fā)生，為了挽救系統(tǒng)，看門狗電路起作用，系統(tǒng)可能被自動復(fù)位。從上面的分析可以看到，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的原因是由于優(yōu)先級高的任務(wù)task1要獲取被低優(yōu)先級任務(wù)task2占有的臨界資源而被task2阻塞，而具有中優(yōu)先級的任務(wù)task2搶占task3的CPU,從而導(dǎo)致task2先于task1執(zhí)行。這時候系統(tǒng)便出現(xiàn)了優(yōu)先級

5、反轉(zhuǎn)的情況，如圖1所示。3優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的解決方法　　目前解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)有許多種方法。其中普遍使用的有2種方法：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）?！　≡趦?yōu)先級繼承方案中，當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)在等待低優(yōu)先級的任務(wù)占有的信號量時，讓低優(yōu)先級任務(wù)繼承高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級，即把低優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先權(quán)提高到高優(yōu)先級任務(wù)的優(yōu)先級；當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級任務(wù)釋放高優(yōu)先級任務(wù)等待的信號量時，立即把其優(yōu)先權(quán)降低到原來的優(yōu)先權(quán)。采用這種方法可以有效地解決上面所述的優(yōu)先

6、權(quán)反轉(zhuǎn)的問題。當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)task1想要進(jìn)入臨界區(qū)時，由于低優(yōu)先級任務(wù)task3占有這個臨界資源的信號量，導(dǎo)致task1被阻塞。這時候，系統(tǒng)把task3的優(yōu)先權(quán)升到task1的優(yōu)先權(quán)，此時優(yōu)先權(quán)處于task1和task3之間的任務(wù)task2，即使處于就緒狀態(tài)也不可以被調(diào)度執(zhí)行，因為此時task3的優(yōu)先權(quán)已經(jīng)高于task2，所以task3此時被調(diào)度執(zhí)行。當(dāng)task3釋放task1需要的信號量時，系統(tǒng)立即把task3的優(yōu)先權(quán)降到原來的高度，來保證task1和task2正常有序執(zhí)行。整個情況如圖2所示。目前，有許多R

7、TOS是采用這種方法來防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的，如大家比較熟悉的業(yè)界有名的WindRiver公司的VXWORKS?！　≡趦?yōu)先權(quán)極限方案中，系統(tǒng)把每一個臨界資源與1個極限優(yōu)先權(quán)相聯(lián)系。這個極限優(yōu)先權(quán)等于系統(tǒng)此時最高優(yōu)先權(quán)加1。當(dāng)1個任務(wù)進(jìn)入臨界區(qū)時，系統(tǒng)便把這個極限優(yōu)先權(quán)傳遞給這個任務(wù)，使得這個任務(wù)的優(yōu)先權(quán)最高；當(dāng)這個任務(wù)退出臨界區(qū)后，系統(tǒng)立即把它的優(yōu)先權(quán)恢復(fù)正常，從而保證系統(tǒng)不會出現(xiàn)優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)的情況。如上例中，當(dāng)task3進(jìn)入臨界區(qū)時，立即把它的優(yōu)先權(quán)升高到極限優(yōu)先權(quán)，保證task3此時能盡快退出臨界區(qū)，進(jìn)而釋放其占有的

8、信號量。當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)task1執(zhí)行的時候就不會出現(xiàn)其等待低優(yōu)先級任務(wù)task3釋放信號量而被阻塞的情況，從而保證不會出現(xiàn)上面所說的優(yōu)先級反轉(zhuǎn)。采用這種方案的另一個有利之處，是僅僅通過改變某個臨界資源的優(yōu)先級就可以使多個任務(wù)共享這個臨界資源，如下所示。voidTaskA(void){...SetTaskPriority(RES_X_PRIO);//訪問共享資源X.SetTaskPriority(TASK_A_PRIO);...}　　以上就RTOS中優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題出現(xiàn)的原因以及解決方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。21世紀(jì)將是

9、嵌入式系統(tǒng)的時代。從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的人員深入了解RTOS的原理和內(nèi)部潛在的問題，如優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等，將有助于開發(fā)出更加可靠的產(chǎn)品。