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[導(dǎo)讀]軟件定時(shí)器是常用于內(nèi)核設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的一項(xiàng)基礎(chǔ)軟件措施。本文對(duì)μC/OS-II V2.86中新增的用于管理軟件定時(shí)器的定時(shí)器輪進(jìn)行了重新規(guī)劃,并對(duì)處理算法進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),有效提高了軟件定時(shí)器的到期命中率,驗(yàn)證表明,新改進(jìn)的算法在同等負(fù)載下可降低CPU的負(fù)載率約9%左右。

1、概述

軟件定時(shí)器是一種軟件措施,通過(guò)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(duì)軟件定時(shí)器的高效實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)μC/OS-II的軟件定時(shí)器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,然后提出了對(duì)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(duì)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(duì)于周期性定時(shí)器,時(shí)鐘周期的長(zhǎng)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)信號(hào)量 OSTmrSemSignal來(lái)激活?;谝陨隙x的定時(shí)器輪,μC/OS-II對(duì)定時(shí)器的處理算法如下:

static void OSTmr_Task (void *p_arg)

{

for(;;)

{

等待OSTmrSemSignal 信號(hào)量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)權(quán);

STmrTime = OSTmrTime+1,并對(duì)8 求余后得到對(duì)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(duì)于單次定時(shí)器,從定時(shí)器輪中刪除該時(shí)鐘;

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

}

}

釋放對(duì)OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)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(duì)μC/OS-II的定時(shí)器處理算法效率進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)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(méi)有定時(shí)器到期,而 for循環(huán)必須對(duì)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(wú)謂的檢查將占用大量的 CPU時(shí)間。

3、對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò) 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(guò) 8個(gè)時(shí)鐘滴答才到期的定時(shí)器,并通過(guò)

OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時(shí)器構(gòu)成雙向鏈表。 針對(duì)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(duì)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(guò)信號(hào)量OSTmrSemSignal來(lái)激活,因此,對(duì)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(duì)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(hào)量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)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(duì)于單次定時(shí)器,從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器;

對(duì)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(guò)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(duì)于單次時(shí)鐘,從定時(shí)器輪中刪除該定時(shí)器;

對(duì)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(duì)OSTmrWheelTbl 的訪問(wèn)權(quán);

}

}

3.3改進(jìn)的處理算法的效率分析

通過(guò)對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。通過(guò)對(duì)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(yǔ)

針對(duì)本文提出的改進(jìn)算法,本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開(kāi)發(fā)板 [3][4]上對(duì)改進(jìn)以后的處理算法進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)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(guò)μC/OS-II的統(tǒng)計(jì)任務(wù)對(duì) 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(duì)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(duì)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。

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