一種基于FreeRTOS實時系統(tǒng)改進的時間片延遲調(diào)度算法的設(shè)計

汪千松

【摘 要】通過對FreeRTOS同優(yōu)先級任務(wù)的最后幾次執(zhí)行時間片進行優(yōu)化，提出了改進的時間片延遲調(diào)度算法，使任務(wù)在最后幾次執(zhí)行時不進行時間片切換而繼續(xù)運行。改進的調(diào)度算法在保證實時性的同時也大大提高了任務(wù)的執(zhí)行效率，增大了系統(tǒng)吞吐率。

【關(guān)鍵詞】FreeRTOS;同優(yōu)先級;時間片

中圖分類號： TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）28-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.015

0 引言

FreeRTOS可采用搶占式和時間片輪轉(zhuǎn)混合的調(diào)度機制[1]，其原先的基于時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度存在某些不足，當(dāng)同優(yōu)先級任務(wù)快速增多時，任務(wù)的頻繁切換會加大系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和能量開銷，使任務(wù)具體結(jié)束時間延長。改進的時間片延遲調(diào)度算法通過直接讓任務(wù)在最后幾次執(zhí)行時不進行時間片切換而繼續(xù)運行結(jié)束，提前時間點讓出CPU給其他任務(wù)運行，減少任務(wù)頻繁切換的次數(shù)。當(dāng)高優(yōu)先級任務(wù)到來時仍然能及時響應(yīng)執(zhí)行，在保證實時性的同時也提高了整體任務(wù)的執(zhí)行效率，增大了系統(tǒng)吞吐率。

1 算法原理

1.1 FreeRTOS默認時間片調(diào)度算法

FreeRTOS操作系統(tǒng)此前的同優(yōu)先級的任務(wù)時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法將任務(wù)的處理時間劃分為一個固定的時間片大小，時間片用完將進行切換，而且時間片的值則固定設(shè)置為一個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍。同優(yōu)先級的任務(wù)就緒列表中各個任務(wù)按排列的順序輪流占用固定時間的CPU資源[2]。當(dāng)某個任務(wù)的時間片用完時，而本身的任務(wù)沒有結(jié)束時，其必須讓出CPU的使用權(quán)，使自身進入同優(yōu)先級就緒列表的尾部中，等待下次輪轉(zhuǎn)的再次調(diào)度。同時調(diào)度器運用調(diào)度算法又會去選擇同優(yōu)先級就緒列表中處于頭部的就緒任務(wù)，分配一個時間片，讓其占用CPU資源而運行。也就是說一個任務(wù)到了時間點即使沒有運行完成也必須讓出CPU的使用權(quán)切換出去，給就緒的其他任務(wù)繼續(xù)運行的機會。

1.2 改進的時間片延遲調(diào)度算法

改進后的算法其原理為在時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的情況下，對任務(wù)的最后幾次執(zhí)行時間片（數(shù)值可調(diào)整）進行優(yōu)化。也就是當(dāng)任務(wù)是按照時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法進行時，當(dāng)任務(wù)的最后幾次運行時間少于時間片數(shù)值的1.5倍（數(shù)值可調(diào)整）時，該時間片調(diào)度算法不發(fā)生任務(wù)的切換操作，使任務(wù)繼續(xù)占用CPU的資源，從而使任務(wù)提前結(jié)束完成，讓其他的任務(wù)有更多執(zhí)行的機會。

2 算法設(shè)計實現(xiàn)

2.1 任務(wù)運行時間設(shè)計

FreeRTOS中在任務(wù)創(chuàng)建的過程中并沒有指定任務(wù)運行的時間大小，只是根據(jù)自己需要而進行任務(wù)的停止刪除，其主要原因是任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中并沒有記錄任務(wù)執(zhí)行時間的變量?；诖瞬蛔?，我們必須在任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中添加相應(yīng)的變量來記錄任務(wù)執(zhí)行時間，現(xiàn)有如下的改進方案。

在任務(wù)控制塊里添加相應(yīng)的時間相關(guān)變量。我們知道任務(wù)控制塊是記錄著一個任務(wù)一些屬性，將任務(wù)執(zhí)行時間相關(guān)的變量加入到任務(wù)控制塊中可使代碼看起來更直觀，增強可讀性。至此，我們在任務(wù)控制塊中添加了三個與任務(wù)時間相關(guān)變量。分別為剩余執(zhí)行時間變量ulRemainTimeSlice、初始化執(zhí)行時間ulReloadTimeSlice、任務(wù)不切換連續(xù)執(zhí)行時間片ulThresholdTimeSlice。當(dāng)ulThresholdTimeSlice值為0時代表該改進算法無效，與之前的調(diào)度算法功能相同。在添加變量的同時再添加相對應(yīng)的函數(shù)來設(shè)置和獲取對應(yīng)變量的值。在任務(wù)執(zhí)行過程時，還添加了任務(wù)剩余時間遞減函數(shù)，具體執(zhí)行的操作為使任務(wù)執(zhí)行時間片遞減。

2.2 任務(wù)切換設(shè)計

在任務(wù)的調(diào)度過程中FreeRTOS的任務(wù)切換的觸發(fā)場合有執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用和系統(tǒng)滴答定時器中斷兩種方式。而在時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的正常情況下一般是發(fā)生系統(tǒng)滴答定時器中斷而發(fā)生任務(wù)切換。之前的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度是只要時間到了就會發(fā)生任務(wù)的切換操作，基于該切換的不足，我們改進的算法必須使調(diào)度器滿足必要的條件后不發(fā)生切換繼而繼續(xù)運行?，F(xiàn)有的改進方案如下。

在滴答定時器中斷服務(wù)函數(shù)SysTic_Handler（）中，其會調(diào)用FreeRTOS的API函數(shù)xPortSysTickHandler（），其在文件port.c中，在xPortSysTickHandler（）函數(shù)中會發(fā)生任務(wù)的切換調(diào)度操作。而這個任務(wù)切換調(diào)度操作是有條件的，其需要滿足xTaskIncrementTick（）！= pdFAlSE，而函數(shù)xTaskIncrementTick（）一般用于檢測當(dāng)前任務(wù)所對應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級下是否還有其他任務(wù)，有的話就返回pdTRUE?；诖?，我們在創(chuàng)建同優(yōu)先級任務(wù)的時候一般要多于2個，這樣方便測試對比。在該條件成立的情況下，我們就可以在內(nèi)部進行適當(dāng)?shù)奶幚?，使任?wù)滿足指定的條件需求后才進行任務(wù)的切換操作。修改后的void xPortSysTickHandler（）函數(shù)部分代碼如下所示：

xTaskDecreaseRemainTimeSlice（）;

if（ 0 ！= xTaskGetThresholdTimeSlice（） ） {

if（xTaskGetRemainTimeSlice（）>xTaskGetThreshold TimeS lice（） ） {

/* A context switch is required.Context switching is performed in

the PendSV interrupt.Pend the PendSV interru pt.*/

portNVIC_INT_CTRL_REG=portNVIC_PENDSVSE T_ BIT;

} else if （ 0 == xTaskGetRemainTimeSlice（） ）{

/* ... */

}

} else {

portNVIC_INT_CTRL_REG=portNVIC_PENDSVSE T_BIT;

}

由上可以看出，當(dāng)函數(shù)xTaskIncrementTick（）成立時，我們首先調(diào)用xTaskDecreaseRemainTimeSlice（）函數(shù)對當(dāng)前任務(wù)的時間片大小進行遞減操作，同時接下來調(diào)用xTaskGetThresholdTimeSlice（）函數(shù)來判斷設(shè)置的需要延遲的時間片大小，如果為零的話，將和往常一樣進行任務(wù)的切換操作。而如果不為零的話，則繼續(xù)進行相對應(yīng)的處理，其首先是判斷剩余的執(zhí)行時間片大小是否大于設(shè)置的需要延遲的時間片的大小，如果大于的話，說明任務(wù)不需要繼續(xù)延遲，進而發(fā)生切換操作。而如果不大于的話，說明到了需要進行延遲的時間點，任務(wù)不發(fā)生切換，繼續(xù)占用CPU資源執(zhí)行代碼。當(dāng)任務(wù)的剩余時間片大小等于零的時候，說明任務(wù)需要執(zhí)行的時間片已經(jīng)全部用完，繼而可以刪除任務(wù)將其停止，讓出CPU資源給其他任務(wù)運行。

3 算法性能分析

下面對FreeRTOS改進的時間片延遲調(diào)度算法做基本的性能分析。假設(shè)有三個同優(yōu)先級的任務(wù)T1，T2，T3。其所需的執(zhí)行時間分別為100，50，60，單位為一個時間片大小。其中為了顯示的效果明顯，將時間片周期設(shè)置為了50ms。則改進的時間片延遲調(diào)度算法在以下各種情況中行結(jié)果如表1所示。

表中A為改進后當(dāng)任務(wù)都延遲3個時間片運行得到的結(jié)果;B為改進后當(dāng)T1，T2，T3分別延遲1，2，3個時間片時運行得到的結(jié)果;C為改進后當(dāng)T1，T2，T3分別延遲3，2，1個時間片時運行得到的結(jié)果。

由表中的數(shù)據(jù)結(jié)果分析可得當(dāng)任務(wù)最后幾次執(zhí)行時間（數(shù)值可根據(jù)實際情況調(diào)整）不發(fā)生任務(wù)切換而繼續(xù)運行時，任務(wù)能比原先提前時間完成。即改進后時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度優(yōu)化算法能夠減少任務(wù)的調(diào)度次數(shù)，縮短CPU周轉(zhuǎn)時間，故而可以降低任務(wù)實際完成時間，同時減少了系統(tǒng)業(yè)務(wù)開銷和能量開銷，提升系統(tǒng)運行效率，使系統(tǒng)的性能得到了一定的提高。

4 結(jié)論

改進的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法在任務(wù)最后幾次執(zhí)行時可以減少切換次數(shù)，縮短CPU周轉(zhuǎn)時間，提高系統(tǒng)效率，不管是用在通用操作系統(tǒng)還是在實時操作系統(tǒng)上，都具有實際的應(yīng)用價值[4]，但其仍存在不足，當(dāng)任務(wù)的個數(shù)較少且延時時間片比較長時，勢必會影響其他任務(wù)的運行，雖然執(zhí)行的任務(wù)可以提前結(jié)束，但其他同優(yōu)先級任務(wù)某些時候可能也需要適當(dāng)?shù)膶崟r性要求，這樣由于任務(wù)得不到適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)而使系統(tǒng)表現(xiàn)得整體性能看起來而有所降低。所以進一步動態(tài)分析選取任務(wù)的延時時間片大小是一個值得深入研究的問題，當(dāng)任務(wù)的延遲時間選取合適時，將對系統(tǒng)的效率帶來大大的提升。

【參考文獻】

[1]Guan F，Peng L，Perneel L，et al.Open source FreeRTOS as a case study in real-time operating system evolution[J].Journal of Systems and Software，2016.

[2]朱迪.FreeRTOS實時操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度優(yōu)化的研究與實現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)，2015.

[3]左中凱.FreeRTOS源碼詳解與應(yīng)用開發(fā)---基于STM32.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017.

[4]肖建明，張向利.一種改進的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法[J].計算機應(yīng)用，2005.