微型抢占式多任务实时内核设计

    关键词：事件驱动 优先级 任务管理 消息 信号 同步

    市面上有很多优秀的嵌入式实时操作系统（RTOS），但在中低端微控制器（MCU）上运行性能良好的RTOS内核并不多。在高档机下，功能强大、运行极好的嵌入式实时操作系统，移植到中低端机上时性能很可能大幅度下降。一个很重要的原因就是它的大部分功能对中低档系统来说是不需要的，反而成为制约性能的累赘。中低档微控制器与高档机相比，一方面，寻址能力有限，处理速度慢，在相同的实时性能要求下，对内核的代码效率的要求更为严格；另一方面，中低档机完成的任务相对简单，减少了对内核的功能需求，比如可以不需要内存管理。从嵌入式系统的共性来说，大多数情况下用户程序和系统内核是紧密结合在一起的，运行时存储器容量消耗、任务的数量、执行时间和结果都是可以预计的，这可进一步缩小对内核的功能需求。

??事件驱动的观点认为，任务应该是被动地响应外界发生的各种事件，而不是主动地去“查询”，浪费处理器时间。采用事件驱动编程的方法，不仅提高了运行效率，而且降低了事件处理之间的耦合，使程序流程非常清晰，从而可大大提高开发效率。

??充分考虑中低端微控制器的硬件特点和嵌入式系统软件的需求，引入“事件驱动”的观念，笔者开发了一个微型的抢占式多任务RTOS内核——MicroStar。支持任务的动态创建、删除、睡眠、挂起和恢复，提供消息（message）和信号（signal）两种任务间的通信方案、完善的定时器服务和功能齐全的任务同步函数库。限于篇幅，着重论述几个与众不同的设计思路和实现难点。

1 调度策略

    1.1 基于事件的优先级

??对内核的实时性能来说，调度策略是关键。好的调度策略，既要体现各任务因所处理的事件对实时性的不同要求而带来的优先级差异，又要保证一定的公平性，避免出现低优先级任务长时间得不到执行的极端情形。常用的调度策略有两种：一种是按时间片轮转(round robin)调度，如RTX51；另一种是严格按优先级的占先式调度，如μC/OS。

??按时间片轮转调度能很好地保证公平，但优先级的差异是通过对处理器的占用时间的多少来体现的。如果各个任务都不主动放弃执行，高优先级的任务能够比低优先级任务获得更多的处理器时间；但在嵌入式系统中，某个事件要求实时处理，并不意味着该处理需要较长的时间，而往往是要求尽快响应。因此，采用按时间片轮转调度，实时性不会太好。

??如果严格按任务的优先级来调度，可极大地提升系统的实时性，但却欠缺公平。如果高优先级任务是个无等待的死循环，低优先级任务就无法获得执行机会。

??一个好的办法是两者的结合，即可由任务的优先级产生调度，也可以由时间片到产生新的任务调度，如VxWorks；但是实现起来较为复杂，不一定适合中低档MCU。为此，基于以下事实，提出“基于事件的优先级(events based priority)”这一新观念。

??① 一个任务往往处理多个事件，各个事件对实时性的要求不尽相同。一般的RTOS下，任务的优先级是根据这些事件中对实时性要求最高的一个来确定的。因此，高优先级任务在处理对实时性要求不高的事件时，完全可能会妨碍低优先级任务处理具有一定实时性要求的事件。

??② 有些情况下，对同一事件的处理可分为前台处理和后台处理：前台处理所需时间短，对实时性有较高的要求；后台处理花费时间长，对实时性则无多大要求。

??如果根据正在处理和等待处理的事件对实时性的不同要求，更细致地按事件处理的前后台阶段，动态地调整任务的优先级，采用优先级调度策略，既可发挥实时性好的优点，又可在一定限度内保证公平。这种情况下，任务的优先级不再是一成不变的，而是动态地取决于所处理的事件和处理阶段，这就是所谓的“基于事件的优先级”。

    1.2 在MicroStar中的实现

??MicroStar中任务的优先级是由静态优先级和动态优先级共同决定的。静态优先级等同于其它RTOS中的优先级；动态优先级为基于事件的优先级——由内核根据任务正在处理和等待处理的事件动态调整。静态优先等级限定为0~15级，不允许创建静态优先级相同的任务。动态优先等级目前只有0(亦称紧急级)、1(亦称普通级)两级。任务的实际优先等级可由下式来计算：