mbedOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)延時(shí)機(jī)制剖析

劉長(zhǎng)勇,王宜懷

(1.武夷學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院,福建 武夷山 354300;2.蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006;3.武夷學(xué)院 認(rèn)知計(jì)算與智能信息處理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 武夷山 354300)

在無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,常常會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)綠色指示燈,讓它按某個(gè)固定的周期不停地閃爍(實(shí)際上就是按一定的時(shí)間頻率不斷切換亮暗),以此來(lái)表明系統(tǒng)正在運(yùn)行,這個(gè)固定的周期就是延時(shí),一般采用原地跑(空循環(huán))的方式進(jìn)行或通過(guò)定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)中斷,在這種方式下程序仍然占用CPU的使用權(quán),其他程序只能等待空循環(huán)結(jié)束或定時(shí)器中斷執(zhí)行完之后才能得以運(yùn)行。而在帶有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-time Operation System,RTOS)的嵌入式系統(tǒng)中,會(huì)使用延時(shí)函數(shù)進(jìn)行延時(shí),此時(shí)RTOS的內(nèi)核會(huì)暫時(shí)把不需執(zhí)行的任務(wù)放入延時(shí)隊(duì)列中,讓出CPU的使用權(quán),并對(duì)線(xiàn)程進(jìn)行調(diào)度。使用延時(shí)函數(shù)的延時(shí)操作并非停止其他操作的空跑等待,而是由內(nèi)核通過(guò)延時(shí)隊(duì)列管理這些延時(shí)任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的延時(shí)。目前,延時(shí)操作被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。張輝等[1]指出可以根據(jù)火面環(huán)境、星歷、地形圖以及火星車(chē)的工作能力和約束條件,通過(guò)延時(shí)指令序列控制火星車(chē)完成火星表面巡視探測(cè)任務(wù)。樊智勇等[2]設(shè)計(jì)了一種大數(shù)據(jù)量低延時(shí)航電中繼系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了將不同類(lèi)型信號(hào)在多種設(shè)備之間進(jìn)行遠(yuǎn)程異地低延時(shí)數(shù)據(jù)交換。岑伯維等[3]通過(guò)在串聯(lián)支路、并聯(lián)支路、孤立支路和復(fù)合支路上對(duì)延時(shí)進(jìn)行建模,有效地降低了電子物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算終端業(yè)務(wù)的時(shí)序邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算資源配置的影響。王旭等[4]提出了基于ARM設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步與觸發(fā)單元對(duì)分布式測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行同步的方法,通過(guò)延時(shí)觸發(fā)輸出,實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)時(shí)鐘同步精度和精確同步觸發(fā)功能。張華健等[5]結(jié)合Linux系統(tǒng)和開(kāi)源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS,設(shè)計(jì)了一個(gè)低成本、可擴(kuò)展、高性能的開(kāi)源移動(dòng)機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了在同一局域網(wǎng)內(nèi)低延時(shí)的遠(yuǎn)程圖像傳輸和控制。黃雨航等[6]基于可驗(yàn)證延時(shí)函數(shù)為基礎(chǔ)的隨機(jī)信標(biāo)方法,結(jié)合Boneh-Lynn-Shacham(BLS)聚合簽名算法,在區(qū)塊鏈場(chǎng)景中生成公平且安全的隨機(jī)數(shù)。李川[7]通過(guò)向注入器電子槍等相關(guān)設(shè)備發(fā)送可精確延時(shí)調(diào)節(jié)的觸發(fā)信號(hào),確保了HLS-II時(shí)序系統(tǒng)在Linux操作系統(tǒng)下可將直線(xiàn)加速器ns級(jí)長(zhǎng)度的電子宏脈沖對(duì)準(zhǔn)儲(chǔ)存環(huán)220 ns長(zhǎng)度范圍內(nèi)的任一相位的穩(wěn)定。本文將分析RTOS延時(shí)函數(shù)的基本工作原理和RTOS的調(diào)度策略,剖析mbedOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)的調(diào)度機(jī)制和關(guān)鍵代碼,以意法半導(dǎo)體的STM32L431芯片為例進(jìn)行mbedOS延時(shí)函數(shù)剖析實(shí)踐,將線(xiàn)程響應(yīng)延時(shí)函數(shù)的調(diào)度過(guò)程信息進(jìn)行直觀輸出,對(duì)線(xiàn)程調(diào)度過(guò)程時(shí)序進(jìn)行梳理與剖析,有助于讀者更加透徹地理解mbedOS延時(shí)函數(shù)響應(yīng)機(jī)制,也可為不同實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的延時(shí)函數(shù)的比較分析提供借鑒。

1 延時(shí)函數(shù)的基本原理

在RTOS中,為了避免程序空跑占用CPU,采用延時(shí)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的延時(shí)管理。在任務(wù)中執(zhí)行延時(shí)函數(shù)時(shí),RTOS內(nèi)核會(huì)將當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)由激活態(tài)更改為阻塞態(tài),并根據(jù)延時(shí)參數(shù)指示時(shí)間插入到延時(shí)隊(duì)列的相應(yīng)位置,該隊(duì)列中的任務(wù)按照延時(shí)時(shí)長(zhǎng)從小到大排序,每一個(gè)任務(wù)控制塊都記錄了自身需要的等待喚醒時(shí)間(等待喚醒時(shí)間=任務(wù)本身的延時(shí)時(shí)間-所有前驅(qū)結(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間)。在任務(wù)延時(shí)期間,RTOS內(nèi)核會(huì)調(diào)度其他就緒隊(duì)列的任務(wù)運(yùn)行,當(dāng)所有任務(wù)都因延時(shí)進(jìn)入延時(shí)隊(duì)列后,此時(shí)RTOS內(nèi)核會(huì)調(diào)度空閑任務(wù)運(yùn)行。在空閑任務(wù)運(yùn)行期間,SysTick定時(shí)器中斷會(huì)每隔1個(gè)時(shí)間嘀嗒檢測(cè)1次延時(shí)隊(duì)列中的任務(wù)是否到期,若有到期的任務(wù)則將任務(wù)從延時(shí)隊(duì)列移出,并將任務(wù)狀態(tài)由阻塞態(tài)更改為就緒態(tài),放入就緒隊(duì)列中,等待RTOS的再次調(diào)度運(yùn)行。在不同的RTOS中延時(shí)函數(shù)的基本工作原理是相同的,但延時(shí)函數(shù)的名稱(chēng)及參數(shù)會(huì)略有不同,如在mbedOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中使用sleep_for延時(shí)函數(shù),其參數(shù)millisec為32位的整型,表示延時(shí)的嘀嗒數(shù)[8];在MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中使用time_delay_ticks延時(shí)函數(shù),其參數(shù)time_in_ticks為32位的整型,表示延時(shí)的嘀嗒數(shù)[9];在RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中使用rt_thread_sleep延時(shí)函數(shù),其參數(shù)tick為32位的整型,表示延時(shí)的嘀嗒數(shù)[10-11]。

2 RTOS的調(diào)度策略分析

在剖析延時(shí)函數(shù)響應(yīng)機(jī)制的過(guò)程中,會(huì)涉及任務(wù)的管理和調(diào)度機(jī)制。任務(wù)的管理主要涉及就緒隊(duì)列和延時(shí)隊(duì)列,就緒隊(duì)列管理將運(yùn)行的就緒態(tài)任務(wù),延時(shí)隊(duì)列管理因調(diào)用延時(shí)函數(shù)而被阻塞的任務(wù)。任務(wù)調(diào)度主要是完成對(duì)任務(wù)狀態(tài)的切換、任務(wù)進(jìn)出隊(duì)列的管理以及上下文切換等工作。在mbedOS中任務(wù)也稱(chēng)為線(xiàn)程,對(duì)線(xiàn)程采用優(yōu)先級(jí)搶占和時(shí)間片輪詢(xún)的綜合調(diào)度策略,調(diào)度策略是通過(guò)系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用(Supervisor Call,SVC中斷)、可掛起系統(tǒng)調(diào)用(Pendable Supervisor,PendSV中斷)和定時(shí)器中斷(SysTick中斷)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.1 SVC中斷

為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序?qū)ο到y(tǒng)硬件的間接訪問(wèn),RTOS內(nèi)核往往會(huì)為用戶(hù)提供系統(tǒng)服務(wù)函數(shù),用戶(hù)通過(guò)調(diào)用這些函數(shù),觸發(fā)SVC中斷,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的訪問(wèn)。在mbedOS中執(zhí)行SVC指令時(shí)(如在線(xiàn)程中調(diào)用延時(shí)函數(shù)),將觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序,完成指定的功能。SVC中斷被觸發(fā)后一般會(huì)被立即執(zhí)行,有較高的精確性,如圖1所示。

圖1 觸發(fā)SVC中斷的簡(jiǎn)單示例

2.2 SysTick中斷

ARM Cortex-M系列內(nèi)核中提供了一個(gè)24位的SysTick定時(shí)器,采用倒計(jì)時(shí)的方式計(jì)數(shù),當(dāng)減1計(jì)數(shù)到0時(shí),可產(chǎn)生SysTick中斷。mbedOS的內(nèi)核時(shí)鐘頻率采用48 MHz,1個(gè)時(shí)間嘀嗒為1 ms,每個(gè)時(shí)間片為5個(gè)時(shí)間嘀嗒,當(dāng)一個(gè)時(shí)間嘀嗒到時(shí)則產(chǎn)生一次SysTick中斷,在中斷服務(wù)程序中完成對(duì)線(xiàn)程的調(diào)度,如圖2所示。

圖2 觸發(fā)SysTick中斷的簡(jiǎn)單示例

3 mbedOS延時(shí)函數(shù)調(diào)度機(jī)制剖析

3.1 SVC中斷觸發(fā)的延時(shí)調(diào)度

當(dāng)用戶(hù)線(xiàn)程調(diào)用線(xiàn)程延時(shí)函數(shù)sleep_for后,會(huì)觸發(fā)SVC中斷,其內(nèi)部函數(shù)調(diào)用順序?yàn)門(mén)hisThread∶∶sleep_for→osDelay→__svcDelay→觸發(fā)SVC中斷服務(wù)程序SVC_Handler→實(shí)際調(diào)用svcRtxDelay→最終調(diào)用osRtxThreadWaitEnter。線(xiàn)程延時(shí)等待函數(shù)osRtxThreadWaitEnter的主要功能包括獲取當(dāng)前正在運(yùn)行的線(xiàn)程、阻塞當(dāng)前運(yùn)行線(xiàn)程、將阻塞的線(xiàn)程根據(jù)延時(shí)時(shí)長(zhǎng)插入延時(shí)隊(duì)列中、獲取當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)線(xiàn)程并切換其狀態(tài)為激活態(tài),該函數(shù)執(zhí)行流程如圖3所示。

3.2 SysTick中斷觸發(fā)的延時(shí)調(diào)度

在mbedOS中,每一個(gè)時(shí)間嘀嗒(1 ms)執(zhí)行一次SysTick_Handler中斷服務(wù)程序,通過(guò)調(diào)用osRtxTick_Handler函數(shù)完成對(duì)線(xiàn)程的調(diào)度,在osRtxTick_Handler函數(shù)中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)到期的線(xiàn)程按優(yōu)先級(jí)搶占策略和時(shí)間片輪詢(xún)策略進(jìn)行調(diào)度。

其中涉及優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度的關(guān)鍵代碼如下:

if ((kernel_state == osRtxKernelRunning)

&& (thread_ready != NULL) &&(thread_ready->priority >thread_running->priority))

{

osRtxThreadListRemove(thread_ready);

osRtxThreadBlock(thread_running);

osRtxThreadSwitch(thread_ready);

}

代碼分析:if語(yǔ)句判斷就緒隊(duì)列最高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程(thread_ready)的優(yōu)先級(jí),如果大于當(dāng)前正在運(yùn)行線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí),則調(diào)用osRtxThreadListRemove函數(shù)從就緒隊(duì)列取出thread_ready,然后調(diào)用osRtxThreadBlock函數(shù)阻塞當(dāng)前正在運(yùn)行的線(xiàn)程,調(diào)用osRtxThreadSwitch函數(shù)切換thread_ready狀態(tài)為激活態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行,這就是優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度策略。

其中涉及時(shí)間片輪詢(xún)調(diào)度的關(guān)鍵代碼如下:

if (osRtxInfo.thread.robin.tick == 0U) {

if (osRtxKernelGetState() == osRtxKernelRunning){

thread = osRtxInfo.thread.ready.thread_list;

if ((thread != NULL) &&(thread->priority == osRtxInfo.thread.robin.thread->priority))

{

osRtxThreadListRemove(thread);

osRtxThreadReadyPut(osRtxInfo.thread.robin.thread);

EvrRtxThreadPreempted(osRtxInfo.thread.robin.thread);

osRtxThreadSwitch(thread);

osRtxInfo.thread.robin.thread = thread;

osRtxInfo.thread.robin.tick= osRtxInfo.thread.robin.timeout;

}}}

代碼分析:第一條if (osRtxInfo.thread.robin.tick == 0U)語(yǔ)句指出當(dāng)時(shí)間片結(jié)束(時(shí)間片=0)時(shí),取出就緒隊(duì)列最高優(yōu)先級(jí)的線(xiàn)程thread,接著繼續(xù)執(zhí)行if ((thread != NULL) &&(thread->priority == osRtxInfo.thread.robin.thread->priority)),該語(yǔ)句指明如果thread的優(yōu)先級(jí)等于當(dāng)前正在運(yùn)行線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí),則從就緒隊(duì)列取出thread,調(diào)用osRtxThreadReadyPut函數(shù)將當(dāng)前運(yùn)行線(xiàn)程放入就緒隊(duì)列,切換thread狀態(tài)為激活態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行,且重新設(shè)置時(shí)間片為5個(gè)時(shí)間嘀嗒,這就是基于時(shí)間片的輪詢(xún)調(diào)度策略。

4 mbedOS延時(shí)函數(shù)響應(yīng)實(shí)踐分析

2014年ARM公司推出了mbedOS,它是一種專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中的“物體”設(shè)計(jì)的開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(Real-Time Operating System,RTOS)[12],具備一般RTOS的基本功能,在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺(tái)[13]、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[14]、通信技術(shù)與安全訪問(wèn)服務(wù)機(jī)制[15]、協(xié)議棧與 IP網(wǎng)絡(luò)組件[16]等方面得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)針對(duì)mbedOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),給出具體延時(shí)響應(yīng)的實(shí)踐分析。

mbedOS的延時(shí)響應(yīng)測(cè)試工程采用SD-mbedOS工程框架[17],在Kinetis Design Studio 3.0.0 IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32微控制器上進(jìn)行測(cè)試。STM32片內(nèi)Flash大小為256 KB,用于中斷向量表和程序代碼等的存儲(chǔ);片內(nèi)RAM大小為32 KB,用于各類(lèi)變量的存儲(chǔ)。

4.1 功能設(shè)計(jì)與流程分析

測(cè)試工程的功能是由主線(xiàn)程創(chuàng)建三個(gè)優(yōu)先級(jí)相同的用戶(hù)線(xiàn)程,即綠燈線(xiàn)程、紅燈線(xiàn)程和藍(lán)燈線(xiàn)程,這三個(gè)線(xiàn)程分別實(shí)現(xiàn)每隔8 s綠燈切換亮暗、每隔4 s紅燈切換亮暗和每隔2 s藍(lán)燈切換亮暗,測(cè)試工程的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 測(cè)試工程執(zhí)行流程

當(dāng)mbedOS啟動(dòng)和主線(xiàn)程的執(zhí)行函數(shù)app_init運(yùn)行結(jié)束后,先后共創(chuàng)建了3個(gè)系統(tǒng)線(xiàn)程和3個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程[18],其相關(guān)信息如表1所示。此時(shí),在就緒隊(duì)列的線(xiàn)程按優(yōu)先級(jí)從高到低排列依次為綠燈線(xiàn)程、紅燈線(xiàn)程、藍(lán)燈線(xiàn)程和空閑線(xiàn)程,mbedOS內(nèi)核開(kāi)始對(duì)線(xiàn)程進(jìn)行調(diào)度。由于就緒隊(duì)列的第一個(gè)線(xiàn)程是Green_Thread,它優(yōu)先得到激活運(yùn)行。Green_Thread線(xiàn)程實(shí)現(xiàn)每隔8 s控制一次綠燈的亮暗狀態(tài),當(dāng)Green_Thread線(xiàn)程的執(zhí)行函數(shù)run_greenlight調(diào)用延時(shí)函數(shù)sleep_for執(zhí)行延時(shí)8 s時(shí),會(huì)觸發(fā)SVC中斷,暫時(shí)剝奪該線(xiàn)程對(duì)CPU的使用權(quán),將該線(xiàn)程放入延時(shí)隊(duì)列中。接著mbedOS內(nèi)核依次調(diào)度運(yùn)行Red_Thread線(xiàn)程的執(zhí)行函數(shù)run_redlight和Blue_Thread線(xiàn)程的執(zhí)行函數(shù)run_bluelight,當(dāng)它們執(zhí)行到延時(shí)函數(shù)sleep_for時(shí)也依次被放入延時(shí)隊(duì)列中,最后空閑線(xiàn)程得到調(diào)度運(yùn)行。在mbedOS內(nèi)核調(diào)度線(xiàn)程的期間,SysTick中斷會(huì)每隔1 ms查看延時(shí)隊(duì)列中的線(xiàn)程是否到期,對(duì)到期的線(xiàn)程會(huì)按優(yōu)先級(jí)搶占策略和時(shí)間片輪詢(xún)策略進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行。

表1 線(xiàn)程信息一覽表

4.2 基于優(yōu)先級(jí)相同和延時(shí)機(jī)制的線(xiàn)程調(diào)度時(shí)序

根據(jù)以上分析,基于優(yōu)先級(jí)相同和延時(shí)機(jī)制的用戶(hù)線(xiàn)程調(diào)度時(shí)序情況如圖5所示,圖中給出了表示各對(duì)象的有效運(yùn)行時(shí)間,實(shí)線(xiàn)箭頭表示線(xiàn)程進(jìn)入隊(duì)列,虛線(xiàn)箭頭表示從隊(duì)列取線(xiàn)程。

圖5 基于優(yōu)先級(jí)相同和延時(shí)機(jī)制的用戶(hù)線(xiàn)程調(diào)度時(shí)序圖

4.3 執(zhí)行流程分段解析

基于測(cè)量的確定性時(shí)序分析技術(shù)指出,可以利用在實(shí)際處理器硬件上執(zhí)行感興趣的程序來(lái)獲得所觀察的數(shù)據(jù)[19]。程序插樁技術(shù)也表明可以在源程序中添加一些語(yǔ)句來(lái)獲取程序執(zhí)行時(shí)的動(dòng)態(tài)信息[20]。printf調(diào)試方法是應(yīng)用最廣泛的調(diào)試手段之一,是一種動(dòng)態(tài)分析方法,具有簡(jiǎn)單、直觀等優(yōu)點(diǎn)。在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可將printf函數(shù)封裝成printf調(diào)試控件用來(lái)輸出調(diào)試過(guò)程信息[21],在CPU仿真中可輸出調(diào)試信息[22],在計(jì)算機(jī)視覺(jué)中輸出中間結(jié)果[23]。本文采用基于時(shí)序圖的printf調(diào)試方法對(duì)延時(shí)函數(shù)執(zhí)行流程進(jìn)行輸出,通過(guò)結(jié)果解析和理解延時(shí)函數(shù)的響應(yīng)機(jī)制以及線(xiàn)程調(diào)度過(guò)程。延時(shí)函數(shù)響應(yīng)過(guò)程可以歸納總結(jié)為以下11個(gè)步驟,由于篇幅有限,只給出與藍(lán)燈線(xiàn)程有關(guān)的輸出信息。另外,地址20004530表示藍(lán)燈線(xiàn)程,地址200045F0表示綠燈線(xiàn)程,地址200046B0表示紅燈線(xiàn)程,地址20004260表示空閑線(xiàn)程,地址8005A41表示缺省處理函數(shù)DefaultISR,地址2000303C表示延時(shí)隊(duì)列,地址2000302C表示就緒隊(duì)列。

4.3.1 線(xiàn)程啟動(dòng)

在主線(xiàn)程的執(zhí)行函數(shù)中創(chuàng)建并啟動(dòng)三個(gè)用戶(hù)線(xiàn)程運(yùn)行,然后主線(xiàn)程被阻塞。接著mbedOS內(nèi)核對(duì)這些線(xiàn)程按照優(yōu)先級(jí)搶占策略進(jìn)行調(diào)度,對(duì)優(yōu)先級(jí)相同的線(xiàn)程按時(shí)間片輪詢(xún)策略進(jìn)行調(diào)度,首先調(diào)度綠燈線(xiàn)程運(yùn)行。printf輸出如下信息:

0-1.MCU啟動(dòng)

0-2.啟動(dòng)綠燈線(xiàn)程

0-3.啟動(dòng)紅燈線(xiàn)程

0-4.啟動(dòng)藍(lán)燈線(xiàn)程

3-1.當(dāng)前運(yùn)行的線(xiàn)程=200045F0 (綠燈)開(kāi)始

3-2.當(dāng)前運(yùn)行的線(xiàn)程=200045F0 (綠燈)調(diào)用延時(shí)等待函數(shù)

sleep_for->osDelay->__svcDelay->svcRtxDelay

4.3.2 綠燈線(xiàn)程延時(shí)8 s

綠燈線(xiàn)程調(diào)用延時(shí)函數(shù)ThisThread∶∶sleep_for(8000)延時(shí)8 s,放棄CPU的控制權(quán)進(jìn)入延時(shí)隊(duì)列,取出紅燈線(xiàn)程激活運(yùn)行。

4.3.3 紅燈線(xiàn)程延時(shí)4 s

紅燈線(xiàn)程調(diào)用延時(shí)函數(shù)ThisThread∶∶sleep_for(4000)延時(shí)4 s,放棄CPU的控制權(quán)進(jìn)入延時(shí)隊(duì)列,取出藍(lán)燈線(xiàn)程激活運(yùn)行。

4.3.4 藍(lán)燈線(xiàn)程延時(shí)2 s

藍(lán)燈線(xiàn)程調(diào)用延時(shí)函數(shù)ThisThread∶∶sleep_for (2000)延時(shí)2 s,放棄CPU的控制權(quán)進(jìn)入延時(shí)隊(duì)列,取出空閑線(xiàn)程激活運(yùn)行。printf輸出如下信息:

4.當(dāng)前運(yùn)行線(xiàn)程=20004530

4-1.調(diào)用osRtxThreadWaitEnter前延時(shí)隊(duì)列=2000303C中的線(xiàn)程: 0->200046B0->200045F0

4-2.調(diào)用osRtxThreadWaitEnter前就緒隊(duì)列=2000302C中的線(xiàn)程: 20004260->0->0

5-1.調(diào)用osRtxThreadWaitEnter->osRtxThreadDelayInsert將當(dāng)前運(yùn)行線(xiàn)程=20004530放到延時(shí)隊(duì)列

5-2.調(diào)用osRtxThreadWaitEnter->osRtxThreadListGet從就緒隊(duì)列獲取優(yōu)先級(jí)最高的線(xiàn)程=20004260

5-3.調(diào)用osRtxThreadWaitEnter->osRtxThreadSwitch將線(xiàn)程=20004260設(shè)置為激活態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行

4-3.調(diào)用osRtxThreadWaitEnter后延時(shí)隊(duì)列: 20004260->200046B0->200045F0

4-3-1.線(xiàn)程延時(shí)時(shí)間: 2000->1995->3990

6.調(diào)用wait結(jié)束

4.3.5 運(yùn)行空閑線(xiàn)程

空閑線(xiàn)程不做任何事情,只為了讓CPU不停止運(yùn)行。

4.3.6 優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度激活藍(lán)燈線(xiàn)程

在mbedOS調(diào)度期間每隔1 ms會(huì)產(chǎn)生一次SysTick中斷,當(dāng)延時(shí)達(dá)到2 s時(shí),會(huì)從延時(shí)隊(duì)列中將藍(lán)燈線(xiàn)程移出,其狀態(tài)由阻塞態(tài)更改為就緒態(tài),放入就緒隊(duì)列中,按優(yōu)先級(jí)搶占策略激活藍(lán)燈線(xiàn)程運(yùn)行。printf輸出如下信息:

7-1.從延時(shí)隊(duì)列移出到期線(xiàn)程=20004530

7-2.將移出的線(xiàn)程=20004530放入就緒隊(duì)列中

8-1.從就緒隊(duì)列(2000302C)獲取線(xiàn)程(20004530),該線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)=24>當(dāng)前運(yùn)行線(xiàn)程(20004260)的優(yōu)先級(jí)=1,優(yōu)先級(jí)搶占

8-2.將當(dāng)前運(yùn)行線(xiàn)程(20004260) 放到就緒隊(duì)列中(即阻塞當(dāng)前線(xiàn)程)

8-3.設(shè)置線(xiàn)程(20004530)為激活態(tài)

4.3.7 藍(lán)燈線(xiàn)程結(jié)束

當(dāng)藍(lán)燈延時(shí)結(jié)束后,藍(lán)燈反轉(zhuǎn),接著又開(kāi)始新一輪的延時(shí)等待。printf輸出如下信息:

3-3.當(dāng)前運(yùn)行的線(xiàn)程=20004530 (藍(lán)燈)反轉(zhuǎn)

3-4.當(dāng)前運(yùn)行的線(xiàn)程=20004530 (藍(lán)燈)結(jié)束

4.3.8 優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度激活紅燈線(xiàn)程

在mbedOS調(diào)度期間每隔1 ms會(huì)產(chǎn)生一次SysTick中斷,當(dāng)延時(shí)達(dá)到4 s時(shí),會(huì)從延時(shí)隊(duì)列中將紅燈線(xiàn)程移出,其狀態(tài)由阻塞態(tài)更改為就緒態(tài),放入就緒隊(duì)列中,按優(yōu)先級(jí)搶占策略激活紅燈線(xiàn)程運(yùn)行。

4.3.9 紅燈線(xiàn)程結(jié)束

當(dāng)紅燈延時(shí)結(jié)束后,紅燈反轉(zhuǎn),接著又開(kāi)始新一輪的延時(shí)等待。

4.3.10 優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度激活綠燈線(xiàn)程

在mbedOS調(diào)度期間每隔1 ms會(huì)產(chǎn)生一次SysTick中斷,當(dāng)延時(shí)達(dá)到8 s時(shí),會(huì)從延時(shí)隊(duì)列中將綠燈線(xiàn)程移出,其狀態(tài)由阻塞態(tài)更改為就緒態(tài),放入就緒隊(duì)列中,按優(yōu)先級(jí)搶占策略激活綠燈線(xiàn)程運(yùn)行。

4.3.11 綠燈線(xiàn)程結(jié)束

當(dāng)綠燈延時(shí)結(jié)束后,綠燈反轉(zhuǎn),接著又開(kāi)始新一輪的延時(shí)等待。

5 結(jié)語(yǔ)

在RTOS中線(xiàn)程通過(guò)使用延時(shí)函數(shù),線(xiàn)程會(huì)讓出CPU的使用權(quán),使CPU能更好地為其他線(xiàn)程服務(wù),提高了嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本文分析了延時(shí)函數(shù)的原理和RTOS調(diào)度策略,給出優(yōu)先級(jí)搶占策略和時(shí)間片輪詢(xún)策略的關(guān)鍵代碼,解析了mbedOS延時(shí)函數(shù)的調(diào)度機(jī)制,構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試工程對(duì)mbedOS延時(shí)函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)剖析。通過(guò)基于時(shí)序圖的printf調(diào)試方法,將mbedOS延時(shí)函數(shù)的整個(gè)執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行顯示輸出,有助于讀者快速理解延時(shí)函數(shù)的使用和調(diào)度機(jī)理,為分析比較其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供借鑒。