嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)淺談——嵌入并發(fā)和資源管理的設(shè)計(jì)模式
時(shí)間:2021-08-19 16:03:34
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[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào),直達(dá)精彩內(nèi)容來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)素材?|ZeroMing222嵌入并發(fā),意味著多線程或者多任務(wù),基本上都是使用了系統(tǒng),linux系統(tǒng)或RTOS系統(tǒng)之類的實(shí)現(xiàn)。RTOS系統(tǒng)里任務(wù)的調(diào)度主要有搶占式和時(shí)間片調(diào)度兩種,具體的區(qū)別這里就不詳細(xì)說明了。此篇章包含了并發(fā)的一些術(shù)語(yǔ),如...
關(guān)注、星標(biāo)公眾號(hào),直達(dá)精彩內(nèi)容來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)素材?| ZeroMing222
嵌入并發(fā),意味著多線程或者多任務(wù),基本上都是使用了系統(tǒng),linux系統(tǒng)或RTOS系統(tǒng)之類的實(shí)現(xiàn)。RTOS系統(tǒng)里任務(wù)的調(diào)度主要有搶占式和時(shí)間片調(diào)度兩種,具體的區(qū)別這里就不詳細(xì)說明了。此篇章包含了并發(fā)的一些術(shù)語(yǔ),如并發(fā)性,臨界性,資源,死鎖等的概念。最好是詳細(xì)閱讀RTOS系統(tǒng)的書籍。
聲明:文章基于《C嵌入式編程設(shè)計(jì)模式》這本書,英文是Design?Patterns?for?Embedded?Systems in C。主要是做個(gè)筆記,并添加一點(diǎn)個(gè)人的理解,分享出來(lái)與各位探討。
嵌入并發(fā),意味著多線程或者多任務(wù),基本上都是使用了系統(tǒng),linux系統(tǒng)或RTOS系統(tǒng)之類的實(shí)現(xiàn)。RTOS系統(tǒng)里任務(wù)的調(diào)度主要有搶占式和時(shí)間片調(diào)度兩種,具體的區(qū)別這里就不詳細(xì)說明了。此篇章包含了并發(fā)的一些術(shù)語(yǔ),如并發(fā)性,臨界性,資源,死鎖等的概念。最好是詳細(xì)閱讀RTOS系統(tǒng)的書籍。
聲明:文章基于《C嵌入式編程設(shè)計(jì)模式》這本書,英文是Design?Patterns?for?Embedded?Systems in C。主要是做個(gè)筆記,并添加一點(diǎn)個(gè)人的理解,分享出來(lái)與各位探討。
1.?嵌入并發(fā)和資源管理的設(shè)計(jì)模式
總共有8個(gè)模式,前兩個(gè)循環(huán)執(zhí)行模式和靜態(tài)優(yōu)先級(jí)模式,提供了兩個(gè)不同的方法來(lái)調(diào)度任務(wù)或線程。接下來(lái)3個(gè)模式臨界區(qū)模式,守衛(wèi)調(diào)用模式和隊(duì)列模式,為了使解決在多任務(wù)環(huán)境下串行訪問資源的問題。匯合模式講的是多任務(wù)以不同的方式進(jìn)行同步。最后兩個(gè)模式是關(guān)注預(yù)防死鎖問題。希望下面的模式能夠各位一點(diǎn)啟發(fā)。1.1 循環(huán)執(zhí)行模式
循環(huán)模式有非常簡(jiǎn)單的方式調(diào)用多個(gè)任務(wù)的特點(diǎn),允許所有的任務(wù)有同等機(jī)會(huì)運(yùn)行,但是不能及時(shí)響應(yīng)緊急事件。一般在資源少的系統(tǒng)里面使用,避免了RTOS的開銷,也不需要復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度。簡(jiǎn)單就是最大的優(yōu)點(diǎn)。1.1.1 模式結(jié)構(gòu)
CyclicExecutive有一個(gè)controlLoop()函數(shù),可以反復(fù)調(diào)用每個(gè)任務(wù)的run操作。也需要等待任務(wù)的結(jié)束再調(diào)用下一個(gè)任務(wù)。1.1.2 角色
1.1.2.1 抽象任務(wù)(AbstractCEThread)通過聲明run()函數(shù)為線程提供接口。它是用來(lái)循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)函數(shù)。1.1.2.2 循環(huán)控制(CyclicExecutive)這個(gè)類用于循環(huán)執(zhí)行每個(gè)任務(wù)。此外也有全局棧和任務(wù)本身需要的靜態(tài)數(shù)據(jù)。模式的一個(gè)變體是時(shí)間觸發(fā)循環(huán)執(zhí)行,在這個(gè)變體中,CyclicExecutive設(shè)置使用CycleTimer來(lái)開啟每個(gè)周期。也就是使用這個(gè)變體可以在周期類執(zhí)行每個(gè)函數(shù)。1.1.2.3 循環(huán)定時(shí)器(CycleTimer)圖中有表示帶有“0,1”,這個(gè)定時(shí)器是可選的。當(dāng)定時(shí)器時(shí)間到時(shí),可以調(diào)用中斷或者返回TRUE給hasElapsed()函數(shù)。CyclicExecutive將調(diào)用start()為下一個(gè)周期開始計(jì)時(shí)。1.1.2.4 具體任務(wù)實(shí)現(xiàn)(ConcreteCEThread)每個(gè)ConcreteCEThread都有自己的run()函數(shù),用于具體的任務(wù)實(shí)現(xiàn)。1.1.3 效果
如前所述,該模式優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單,一方面很難導(dǎo)致調(diào)度程序錯(cuò)誤,另一方面對(duì)緊急事件響應(yīng)不足,使得僅使用在內(nèi)存小的設(shè)備。還有缺點(diǎn)是,任務(wù)間的通訊會(huì)值得考慮,比如一個(gè)任務(wù)需要另一個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù),那么數(shù)據(jù)只能保存在全局的內(nèi)存或共享資源中。我們盡量不要定義太多的全局變量,否則會(huì)難以管理維護(hù),和造成內(nèi)存的浪費(fèi)。1.1.4 實(shí)現(xiàn)
該模式的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。在大多數(shù)情況下,循環(huán)執(zhí)行可能僅是應(yīng)用的main()函數(shù)中調(diào)用。?1.2 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)模式
大多數(shù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都是靜態(tài)優(yōu)先級(jí)模式。所以想要使用這個(gè)模式直接移植RTOS系統(tǒng)就好了。這里的模式復(fù)雜度和完整度是無(wú)法比得上RTOS系統(tǒng)的,不過閱讀這里也可以使你對(duì)RTOS的任務(wù)調(diào)度有所了解,因?yàn)檫@是基于這個(gè)框架的。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)模式能夠?yàn)槿蝿?wù)劃分優(yōu)先級(jí),能夠更好響應(yīng)高優(yōu)先級(jí)時(shí)間。1.2.1 模式結(jié)構(gòu)
除了右下角AbstraceStaticThread,SharedResource,ConcreteStaticThread這三個(gè)類,其他一般是由RTOS實(shí)現(xiàn)。1.2.2 角色
1.2.2.1 抽象線程(AbstraceStaticThread)是一個(gè)抽象類,提供run()函數(shù)給調(diào)度器運(yùn)行。1.2.2.2 具體線程(ConcreteStaticThread)ConcreteThread作為AbstraceStaticThread具體實(shí)現(xiàn)run()函數(shù)。1.2.2.3 互斥鎖(Mutex)是一個(gè)互斥的信號(hào)量類,用來(lái)串行訪問SharedResource。當(dāng)一個(gè)任務(wù)調(diào)用了互斥量的lock()函數(shù),其他任務(wù)嘗試鎖定的同一個(gè)互斥量時(shí)候,會(huì)被阻塞,直到互斥量的解鎖或超時(shí)退出。1.2.2.4 隊(duì)列(PriorityQueue)PriorityQueue是根據(jù)優(yōu)先級(jí),對(duì)指向StaticTaskControlBlock的指針進(jìn)行排序,也就是說隊(duì)列里存儲(chǔ)的其實(shí)每個(gè)線程的排隊(duì)。一般在RTOS系統(tǒng)里,存在不止一個(gè)隊(duì)列,有就緒隊(duì)列,阻塞隊(duì)列等,調(diào)度器會(huì)從就緒隊(duì)列取出第一個(gè)執(zhí)行。1.2.2.5 資源(SharedResource)該資源可能在一個(gè)或多個(gè)線程里共享,需要保證資源的正常,在下面模式會(huì)說明資源共享的問題。1.2.2.6 棧(Stack)每個(gè)AbstraceStaticThread都有一個(gè)棧用于返回地址和傳遞參數(shù)。1.2.2.7 調(diào)度器(StaticPriorityScheduler)最簡(jiǎn)單的法則:總是運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的準(zhǔn)備線程。RTOS系統(tǒng)里,任務(wù)創(chuàng)建,任務(wù)切換等都需要經(jīng)過調(diào)度器。任務(wù)創(chuàng)建成功后,會(huì)把任務(wù)按優(yōu)先級(jí)加入到就緒列表中,任務(wù)掛起就會(huì)加入到掛起列表。系統(tǒng)有個(gè)滴答時(shí)鐘中斷或其他能夠進(jìn)行任務(wù)切換,查找下一個(gè)運(yùn)行的任務(wù)可以有通用方法,就是從就緒列表取。另一種是硬件方法,使用處理器自帶的硬件指令來(lái)實(shí)現(xiàn),需要硬件本身支持。1.2.2.8 程序控制塊(StaticTaskControlBlock)包含了它相應(yīng)的AbstraceStaticThread對(duì)象的調(diào)度信息。有線程的優(yōu)先級(jí),默認(rèn)開始地址,目前地址,只要線程還在沒被銷毀,這個(gè)塊就會(huì)伴隨著存在。1.2.3 效果
靜態(tài)優(yōu)先級(jí)模式能夠?qū)κ录峁┘皶r(shí)響應(yīng),可以對(duì)CPU大程序優(yōu)化,避免單線程因等待時(shí)占用CPU這種浪費(fèi)。因RTOS系統(tǒng)的支持,線程間通訊也有很多保證,郵箱,信號(hào)量機(jī)制,避免了過多的全局變量。1.1.4 實(shí)現(xiàn)
最好的方式是直接移植成熟的RTOS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用這種模式,需要對(duì)前期開發(fā)有個(gè)設(shè)計(jì),對(duì)內(nèi)存分配,優(yōu)先級(jí)分配等因素,需要在程序開發(fā)前有個(gè)規(guī)劃,否則可能會(huì)造成后面存在各種問題。復(fù)雜度比單線程的高,所以需要你有個(gè)深入的理解,才能對(duì)RTOS系統(tǒng)運(yùn)用掌握,但是也不用害怕,RTOS始終還是中小的系統(tǒng),有時(shí)間可以研究源碼,RTOS對(duì)指針,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)用非常的成熟高效。?1.3 臨界區(qū)模式
臨界區(qū)模式是任務(wù)協(xié)調(diào)最簡(jiǎn)單的方式。它直接禁止了任務(wù)的切換,在臨界區(qū)內(nèi)安全訪問之后,再退出臨界區(qū)。1.3.1 模式結(jié)構(gòu)
模式結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,在進(jìn)入臨界區(qū)后才訪問資源。調(diào)度程序不參與臨界區(qū)的開啟和結(jié)束過程,知識(shí)提供服務(wù)禁止和重啟任務(wù)切換。如果調(diào)度系統(tǒng)不提供,則臨界區(qū)能夠在硬件級(jí)別使用C的asm直接開關(guān)中斷處理。1.3.2 角色
1.3.2.1 臨界區(qū)(CRShaaredResource)使用這個(gè)元素來(lái)禁止任務(wù)切換,以防止任務(wù)同時(shí)訪問資源。這個(gè)例子里,受保護(hù)資源是Value屬性,相關(guān)的服務(wù)都必須使用臨界區(qū)來(lái)保護(hù),setValue()和getValue()函數(shù)必須獨(dú)立實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)。1.3.2.2 任務(wù)集合(TaskWithSharedResource)這個(gè)元素代表所有想要訪問共享資源的任務(wù)集。這些任務(wù)并不知道保護(hù)資源的方法,因?yàn)樗环庋b在共享資源內(nèi)。1.3.3 效果
模式特點(diǎn)就是禁止調(diào)度任務(wù)的切換,更嚴(yán)格的,禁止所有的中斷。注意的是,一旦元素離開了臨界區(qū),將重啟任務(wù)切換,另外使用了臨界區(qū),就注定會(huì)影響到其他任務(wù)的時(shí)序,所以盡量保證臨界區(qū)的時(shí)間不要長(zhǎng)。1.3.4 實(shí)現(xiàn)
絕大多數(shù)的RTOS系統(tǒng)直接提供函數(shù),調(diào)用即可。?1.4 守衛(wèi)調(diào)用模式
守衛(wèi)調(diào)用模式提供了鎖定的機(jī)制串行訪問,可以阻止當(dāng)鎖定后來(lái)自其他線程的調(diào)用資源。在RTOS系統(tǒng)里,直白的說就是信號(hào)量。使用這個(gè)模式可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)導(dǎo)致,或死鎖的問題發(fā)生。1.4.1 模式結(jié)構(gòu)
在模式下,多個(gè)PreemptiveTasks通過他們的函數(shù)訪問GuardeResource。當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用一個(gè)正在鎖定的信號(hào)量時(shí),調(diào)度服務(wù)會(huì)把該線程加入到阻塞隊(duì)列中,等待當(dāng)那個(gè)信號(hào)量釋放或超時(shí)時(shí),解除阻塞。調(diào)度服務(wù)必須作為臨界區(qū)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量的lock()功能,以防止可能的競(jìng)爭(zhēng)條件。1.4.2 角色
1.4.2.1 共享資源(GuardedResource)在這個(gè)類中使用互斥信號(hào)量來(lái)互斥訪問。在訪問資源之前,執(zhí)行與Semaphore實(shí)例關(guān)聯(lián)的lock()函數(shù)。如果Semaphore是在非鎖定狀態(tài),則變?yōu)殒i定;如果在鎖定狀態(tài),則Semaphore會(huì)調(diào)度復(fù)位發(fā)信號(hào)阻塞這個(gè)任務(wù)。1.4.2.2 任務(wù)(PreemptiveTask)訪問共享資源的任務(wù)。1.4.2.3 互斥信號(hào)量(Semaphore)它串行訪問GuardedResource。lock()函數(shù)是用于訪問資源之前,release()函數(shù)是訪問資源后,調(diào)用釋放信號(hào)量。1.4.3 效果
該模式提供及時(shí)訪問資源,并同時(shí)阻止多個(gè)能夠?qū)е聰?shù)據(jù)損壞和系統(tǒng)錯(cuò)誤行為的同時(shí)訪問。如果資源沒有上鎖,那么訪問資源并不會(huì)遭受到延遲。1.4.4 實(shí)現(xiàn)
通過使用RTOS提供的信號(hào)量函數(shù)。一般都會(huì)提供創(chuàng)建信號(hào)量,摧毀信號(hào)量,上鎖,解鎖的接口。?1.5 隊(duì)列模式
隊(duì)列模式是任務(wù)異步通訊常見的實(shí)現(xiàn)。它提供了在任務(wù)間的通訊方式。發(fā)送者將消息隊(duì)列Cyrus隊(duì)列中,一段時(shí)間過后,接受者從隊(duì)列取出消息。它也可以實(shí)現(xiàn)了串行訪問共享資源,把訪問消息排隊(duì),并且在稍后處理,這避免了共享資源同時(shí)訪問的問題。1.5.1 模式結(jié)構(gòu)
QUEUE_SIZE聲明決定隊(duì)列能容納最大的元素?cái)?shù)目。必須足夠大來(lái)處理最差的情況,也不要太大以免內(nèi)存的浪費(fèi)。1.5.2 角色
1.5.2.1 消息(Message)它可以任何東西,是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)值,或發(fā)送消息的詳細(xì)數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)。1.5.2.2 消息隊(duì)列(MessageQueue)MessageQueue是QTasks間交換的信息存儲(chǔ)。提供了getNextIndex()函數(shù)來(lái)運(yùn)行計(jì)算下一個(gè)有效的索引值。insert()函數(shù)在頭部位置將Message插入到隊(duì)列中并更新頭索引。remove()函數(shù)可以用于刪除最舊的消息。iFull(),isEmpty()兩個(gè)用來(lái)檢測(cè)隊(duì)列是否已滿,是否為空。1.5.2.3 互斥信號(hào)量(Mutex)是互斥信號(hào)量,如靜態(tài)優(yōu)先級(jí)模式中的描述類似。1.5.2.4 任務(wù)(QTask)QTask是MessageQueue的客戶,要么調(diào)用insert()插入新消息,要么調(diào)用remove()訪問最早的數(shù)據(jù)。1.5.3 效果
當(dāng)數(shù)據(jù)在任務(wù)間傳遞,隊(duì)列模式十分好用?;コ饬靠梢源_保隊(duì)列本身不會(huì)由于同時(shí)訪問造成損壞。相比守衛(wèi)調(diào)用模式,隊(duì)列模式接收數(shù)據(jù)不是很及時(shí)。1.5.4 實(shí)現(xiàn)
隊(duì)列的最簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)是消息元素?cái)?shù)組。有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),也會(huì)有靈活性不足,占用空間固定等缺陷。更多是使用鏈表的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)隊(duì)列。MessageQueue還可以添加多個(gè)緩沖區(qū),每個(gè)優(yōu)先級(jí)一個(gè)隊(duì)列,這樣實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)策略,或者基于消息優(yōu)先級(jí),通過插入元素隊(duì)列中實(shí)現(xiàn)。在復(fù)雜的系統(tǒng)中,預(yù)測(cè)最佳隊(duì)列大小是不可行的,如果使用數(shù)組實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的方式,會(huì)存在超出容量的問題。在這種情況下,可以額外使用一個(gè)緩沖隊(duì)列在作為臨時(shí)存儲(chǔ)。?1.6 匯合模式
任務(wù)必須以不同的方式同步。發(fā)生同步可能是共享單一資源,或者等待信號(hào)量等造成,這些隊(duì)列模式和守衛(wèi)調(diào)用模式都能夠?qū)崿F(xiàn)。但是如果同步需要的條件更加復(fù)雜呢?匯合模式就是解決這個(gè)問題。當(dāng)所有的任務(wù)都滿足同步條件時(shí),才能繼續(xù)運(yùn)行。1.6.1 模式結(jié)構(gòu)
需要同步的線程至少2個(gè),同時(shí)擁有唯一的Rendezvous。1.6.2 角色
1.6.2.1 聚合(Rendezvous)用于管理同步。它通過兩個(gè)方式:reset()函數(shù)重置同步標(biāo)準(zhǔn)為初始條件。synchronize()函數(shù),當(dāng)任務(wù)想要同步時(shí)調(diào)用這個(gè)方法。如果不滿足標(biāo)準(zhǔn),則任務(wù)阻塞。這個(gè)通??梢允褂糜^察者模式或守衛(wèi)調(diào)用模式實(shí)現(xiàn)。1.6.2.2 計(jì)數(shù)信號(hào)量(Semaphore)這個(gè)通常是計(jì)數(shù)信號(hào)量,有創(chuàng)建,摧毀,上鎖和釋放標(biāo)準(zhǔn)鎖的接口函數(shù)。用于存儲(chǔ)當(dāng)前所有任務(wù)滿足同步條件的數(shù)量。當(dāng)?shù)扔陬A(yù)設(shè)值時(shí),同步條件滿足。1.6.2.3 線程(SynchronizingThread)代表使用Rendezvous同步的每個(gè)線程。1.6.3 效果
在這個(gè)模式中,兩個(gè)或更多的任務(wù)都同時(shí)滿足某個(gè)條件時(shí),才能繼續(xù)運(yùn)行或調(diào)用回調(diào)函數(shù)。1.6.4 實(shí)現(xiàn)
該模式可以通過前面的觀察者模式,或者守衛(wèi)調(diào)用模式實(shí)現(xiàn)。如果使用的是觀察者模式,則任務(wù)必須使用函數(shù)的地址注冊(cè),當(dāng)滿足同步條件時(shí)調(diào)用。如果使用的是守衛(wèi)調(diào)用模式,則每個(gè)Rendezvous對(duì)象擁有唯一的信號(hào)量,任務(wù)想同步時(shí)調(diào)用synchronize()函數(shù)告知給Rendezvous,當(dāng)Rendezvous滿足同步條件時(shí),釋放信號(hào)量,并且任務(wù)隨后根據(jù)通常的調(diào)度策略全部釋放運(yùn)行。?1.7 同時(shí)鎖定模式
首先不考慮軟件自身導(dǎo)致的錯(cuò)誤,發(fā)生死鎖需要滿足4個(gè)條件:- 互斥鎖資源。
- 當(dāng)請(qǐng)求其他資源時(shí),一些資源已經(jīng)鎖定。
- 當(dāng)資源鎖定是允許搶斷。
- 存在循環(huán)等待條件。