μC/OS-II軟件定時(shí)器管理算法分析及改進(jìn)

1、概述

軟件定時(shí)器是一種軟件措施，通過它可以使一項(xiàng)特定的任務(wù)在給定的時(shí)間段后被執(zhí)行。軟件定時(shí)器廣泛地應(yīng)用于內(nèi)核設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，例如，一個(gè)進(jìn)程使用軟件定時(shí)器等待其他的進(jìn)程完成特定的動(dòng)作,以使任務(wù)間的操作同步等，因此，對軟件定時(shí)器的高效實(shí)現(xiàn)對提升系統(tǒng)的響應(yīng)效率是至關(guān)重要的。

作為一種基礎(chǔ)的軟件措施，μC/OS-II[1]的 V2.86版本中增加了對軟件定時(shí)器的支持。使用μC/OS-II提供的軟件定時(shí)器，應(yīng)用程序可以方便地完成特定的定時(shí)任務(wù)。本文對μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行簡要分析，然后提出了對μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)的方法。

2、μC/OS-II軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制及算法分析

2.1 μC/OS-II軟件定時(shí)器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

μC/OS-II實(shí)現(xiàn)軟件定時(shí)器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 OS_TMR，其定義如下：

typedef struct os_tmr {

INT8U OSTmrType; /*應(yīng)該設(shè)置為OS_TMR_TYPE*/

OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定時(shí)間到達(dá)時(shí)要執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)*/

void *OSTmrCallbackArg; /*傳遞給回調(diào)函數(shù)的參數(shù)*/

void *OSTmrNext; /*軟件定時(shí)器鏈表管理指針*/

void *OSTmrPrev;

INT32U OSTmrMatch; /*當(dāng)OSTmrTime == OSTmrMatch 時(shí)表示定時(shí)器時(shí)間到*/

INT32U OSTmrDly; /*對于周期性定時(shí)器，再次啟動(dòng)定時(shí)器前的延時(shí)時(shí)間*/

INT32U OSTmrPeriod; /*對于周期性定時(shí)器，時(shí)鐘周期的長度*/

INT8U OSTmrOpt; /*選項(xiàng) (如 OS_TMR_OPT_xxx 等) */

INT8U OSTmrState; /*定時(shí)器的狀態(tài)*/

} OS_TMR;

每個(gè) OS_TMR結(jié)構(gòu)的實(shí)例定義了一個(gè)軟件定時(shí)器，多個(gè)軟件定時(shí)器通過結(jié)構(gòu)中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev構(gòu)成一個(gè)定時(shí)器雙向鏈表。

為了提高對軟件定時(shí)器的管理效率，μC/OS-II引入了“定時(shí)器輪”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂定時(shí)器輪，是將定時(shí)器實(shí)例中的 OSTmrMatch域的值參照某一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)（稱為輪數(shù)）進(jìn)行求余運(yùn)算，并根據(jù)求余結(jié)果將定時(shí)器進(jìn)行分組以改善對到期定時(shí)器的命中率。定時(shí)器輪數(shù)缺省配置如下:

typedef struct os_tmr_wheel {

OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定時(shí)器的指針*/

INT16U OSTmrEntries; /*該定時(shí)器輪中的定時(shí)器項(xiàng)數(shù)*/

} OS_TMR_WHEEL;

缺省配置下，μC/OS-II 定義的輪數(shù)為8，因此，μC/OS-II 的定時(shí)器輪為如下的一個(gè)數(shù)組：

OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl[8];

例如，在某一個(gè)特定的時(shí)刻,此處假設(shè)時(shí)刻5，系統(tǒng)中有定時(shí)時(shí)間為2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的軟件定時(shí)器，那么，這些定時(shí)器將在時(shí)鐘滴答分別為7、9、10、37、166、362時(shí)到期，則此時(shí)系統(tǒng)的定時(shí)器輪的實(shí)例如圖 1所示：

2.2 μC/OS-II軟件定時(shí)器的處理算法分析

μC/OS-II對定時(shí)器的超時(shí)處理在一個(gè)稱為“uC/OS-II Tmr”的任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)是通過信號量 OSTmrSemSignal來激活?；谝陨隙x的定時(shí)器輪，μC/OS-II對定時(shí)器的處理算法如下：

static void OSTmr_Task (void *p_arg)

{

for(;;)

{

等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

STmrTime = OSTmrTime+1，并對8 求余后得到對應(yīng)的定時(shí)器輪項(xiàng)索引index;

for OSTmrWheelTbl[index]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do

{

if (OSTmrTime == ptmr->OSTmrMatch) {

執(zhí)行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調(diào)函數(shù)；

對于單次定時(shí)器，從定時(shí)器輪中刪除該時(shí)鐘；

對于周期性定時(shí)器，則重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；

}

}

釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

}

}

2.3 μC/OS-II的定時(shí)器處理算法的效率分析 采用上面的例子，對μC/OS-II的定時(shí)器處理算法效率進(jìn)行一個(gè)簡單的分析：在下一次時(shí)鐘滴答，也就是時(shí)鐘滴答 6時(shí)，沒有定時(shí)器到期，而 for循環(huán)必須對每個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行檢查，類似的情況還發(fā)生在自時(shí)鐘到達(dá) 10以后的多個(gè)檢查中。根據(jù)系統(tǒng)中的定時(shí)器的數(shù)量，這種無謂的檢查將占用大量的 CPU時(shí)間。

3、對μC/OS-II的定時(shí)器管理算法的改進(jìn)

3.1 改進(jìn)以后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對μC/OS-II的定時(shí)器管理算法進(jìn)行改進(jìn)的主要目標(biāo)是：要么不對定時(shí)器進(jìn)行檢查，要檢查則一定有定時(shí)器到期[2]。為了達(dá)到這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對μC/OS-II的定時(shí)器輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。采用同樣的 OS_TMR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 OS_TMR_WHEEL定時(shí)器輪結(jié)構(gòu)，但是，對定時(shí)器輪的每一個(gè)項(xiàng)的功能進(jìn)行重新規(guī)劃：

（1）定時(shí)器輪的第 1項(xiàng)到第 7項(xiàng)，即 OSTmrWheelTbl[1]到 OSTmrWheelTbl[7]的定時(shí)器輪，分別表示將在此后的第 1個(gè)時(shí)鐘滴答到第 7個(gè)時(shí)鐘滴答將到期的定時(shí)器項(xiàng)，此時(shí)，每個(gè)定時(shí)器結(jié)構(gòu)的 OSTmrMatch中的值表示需要經(jīng)過多少個(gè)時(shí)鐘滴答該定時(shí)器項(xiàng)將到期。在同一個(gè)定時(shí)器輪中的多個(gè)定時(shí)器項(xiàng)通過 OSTmrNext和 OSTmrPrev指針構(gòu)成雙向鏈表。

（2）定時(shí)器輪的第 0項(xiàng)，表示將至少需要經(jīng)過 8個(gè)時(shí)鐘滴答才到期的定時(shí)器，并通過

OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時(shí)器構(gòu)成雙向鏈表。 針對上面的同一個(gè)例子，按照此規(guī)劃形成的新的定時(shí)器輪如圖 2所示：

3.2 改進(jìn)的處理算法

對定時(shí)器的超時(shí)處理仍然在“uC/OS-II Tmr”任務(wù)中進(jìn)行,該任務(wù)還是通過信號量OSTmrSemSignal來激活，因此，對于基于該接口調(diào)用的應(yīng)用程序可以不做任何修改即可正常運(yùn)行?；谛乱?guī)劃的定時(shí)器輪，對定時(shí)器的處理算法如下：

static void OSTmr_Task (void *p_arg)

{

STmrTime = 0；

for(;;)

{

等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

STmrTime = OSTmrTime+1；

if (OSTmrTime < 8)

{

for OSTmrWheelTbl[OSTmrTime]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do

{

執(zhí)行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調(diào)函數(shù)；

對于單次定時(shí)器，從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器；

對于周期性定時(shí)器，則重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；

}

}

else // STmrTime == 8

{

for OSTmrWheelTbl[0]定時(shí)器輪中的每一個(gè)定時(shí)器ptmr，do

{

ptmr->OSTmrMatch = ptmr->OSTmrMatch – 8;//已經(jīng)經(jīng)過了8 個(gè)時(shí)鐘滴答；

if (ptmr->OSTmrMatch == 0) //到期定時(shí)值正好是8 的倍數(shù)

{

執(zhí)行ptmr 軟件定時(shí)器中的回調(diào)函數(shù)；

對于單次時(shí)鐘，從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器；

對于周期性時(shí)鐘重置該定時(shí)器的OSTmrMatch 值；

continue;

}

if (ptmr->OSTmrMatch < 8) //少于8 個(gè)ticks 將到期的定時(shí)器

{

根據(jù)ptmr->OSTmrMatch 的值將ptmr 插入到相應(yīng)的OSTmrWheelTbl

定時(shí)器輪中；

}

}

STmrTime = 0； //重新計(jì)數(shù)滴答；

}

釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；

}

}

3.3改進(jìn)的處理算法的效率分析

通過對改進(jìn)以后的算法進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：在每一個(gè)時(shí)鐘滴答，如果對應(yīng)的定時(shí)器輪的OSTmrFirst指針不為NULL，則在該時(shí)鐘滴答有到期的定時(shí)器，需要調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。通過對定時(shí)器輪進(jìn)行重新規(guī)劃，避免了不必要的定時(shí)器到期檢查，從而可節(jié)省 CPU時(shí)間，提高了運(yùn)行效率。

4、結(jié)束語

針對本文提出的改進(jìn)算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開發(fā)板 [3][4]上對改進(jìn)以后的處理算法進(jìn)行了測試，測試中建立了 1000個(gè)軟件定時(shí)器，在其他負(fù)載相同的情況下，通過μC/OS-II的統(tǒng)計(jì)任務(wù)對 CPU的使用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn) CPU的負(fù)載率降低了約9%。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：對μC/OS-II的定時(shí)器輪進(jìn)行了重新規(guī)劃，使得在每個(gè)時(shí)鐘滴答對軟件定時(shí)器進(jìn)行處理時(shí)有效提高了到期定時(shí)器的命中率，進(jìn)而降低了 CPU的負(fù)載率。