在嵌入式系統(tǒng)中，如果使用基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的RTOS，系統(tǒng)中可能發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)用來(lái)描述系統(tǒng)中高優(yōu)先級(jí)任務(wù)由于等待低優(yōu)先級(jí)任務(wù)完成才能繼續(xù)執(zhí)行的情景，通常發(fā)生在試圖獲取信號(hào)量使用權(quán)或共享資源時(shí)。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們需要考慮如何訪(fǎng)問(wèn)共享資源，避免資源競(jìng)爭(zhēng)，防止優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生。

本文將介紹如何通過(guò)分析工具檢測(cè)OPENRTOS(FreeRTOS)應(yīng)用中的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如何最小化優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的影響，及如何在設(shè)計(jì)中避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

使用Tracealyzer工具檢測(cè)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

Tracealyzer是一個(gè)可視化分析工具，以圖形化的方式展示事件發(fā)生的序列。我們通過(guò)一個(gè)Percepio公司的示例說(shuō)明如何使用Tracealyzer檢測(cè)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。應(yīng)用中存在一個(gè)隨機(jī)復(fù)位問(wèn)題，在復(fù)位異常處理中設(shè)置斷點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題是由于看門(mén)狗定時(shí)器超時(shí)引起的，看門(mén)狗定時(shí)器應(yīng)該在一個(gè)周期運(yùn)行的高優(yōu)先任務(wù)中重置。

插入自定義Tracealyzer用戶(hù)事件幫助工程師獲得更大的能見(jiàn)度。“用戶(hù)事件”類(lèi)似于經(jīng)典的“printf()”調(diào)用。在此示例中，在看門(mén)狗計(jì)時(shí)器被重置或超時(shí)位置添加用戶(hù)事件。用戶(hù)事件還支持?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)，記錄重置之前的計(jì)時(shí)器值，以查看看門(mén)狗“margin”，即剩下的時(shí)間。捕獲結(jié)果如圖1所示。

圖1 用戶(hù)事件示例

從圖中我們可以看到SamplerTask任務(wù)正常運(yùn)行，但任務(wù)在最后一個(gè)執(zhí)行過(guò)程中沒(méi)有清除看門(mén)狗計(jì)時(shí)器，導(dǎo)致看門(mén)狗重置事件發(fā)生。SamplerTask為什么沒(méi)有復(fù)位看門(mén)狗定時(shí)器？在Tracealyzer中使能Kernel Service calls，查看任務(wù)當(dāng)前在執(zhí)行什么操作，捕獲結(jié)果如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用示例

SamplerTask任務(wù)的最后一個(gè)動(dòng)作是調(diào)用OPENRTOS函數(shù)xQueueSend，將消息放入消息隊(duì)列中。注意，該標(biāo)簽顯示為紅色，表示xQueueSend 函數(shù)將阻塞任務(wù)，任務(wù)阻塞導(dǎo)致看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)位之前，任務(wù)切換至ServerTask，從而導(dǎo)致看門(mén)狗超時(shí)，引起系統(tǒng)復(fù)位。

為什么xQueueSend阻塞了任務(wù)？雙擊此事件標(biāo)簽，打開(kāi)Object History視圖，顯示xQueueSend函數(shù)操作隊(duì)列“ControlQueue”的所有操作，如圖3所示。圖中最右邊一列展示了隊(duì)列存儲(chǔ)的消息。可以看到消息隊(duì)列已經(jīng)包含五個(gè)消息，隊(duì)列已滿(mǎn)，因此xQueueSend操作引起任務(wù)阻塞。但ControlTask任務(wù)應(yīng)該讀取隊(duì)列數(shù)據(jù)并清空隊(duì)列緩沖區(qū)，為什么預(yù)期的行為沒(méi)有發(fā)生？

圖3 Object history視圖

研究該問(wèn)題，分析看門(mén)狗的margin如何隨時(shí)間而變化。這些信息記錄在User Event Logging中，使用User Event Signal Plot，我們可以繪制看門(mén)狗margin隨時(shí)間的變化。在同一時(shí)間軸上添加CPU負(fù)載圖，我們可以看到任務(wù)執(zhí)行如何影響看門(mén)狗margin，如圖4所示。

圖4 User event Single slot視圖

在CPU負(fù)載圖中，我們可以看到跟蹤的后半部分，ServerTask執(zhí)行消耗了約一半的跟蹤時(shí)間，這似乎影響了看門(mén)狗的margin。ServerTask任務(wù)（亮綠色）比ControlTask任務(wù)（深綠色）優(yōu)先級(jí)高，所以當(dāng)ServerTask任務(wù)消耗更多CPU時(shí)間后，ControlTask任務(wù)得到的CPU減少。由于高優(yōu)先級(jí)的ServerTask任務(wù)占用了許多CPU時(shí)間，導(dǎo)致ControlTask無(wú)法及時(shí)讀取消息隊(duì)列中的數(shù)據(jù)。這是優(yōu)先反轉(zhuǎn)問(wèn)題的一個(gè)例子，SamplerTask任務(wù)被不相關(guān)的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)阻塞。

解決方案

更改任務(wù)優(yōu)先級(jí)

一種解決辦法是改變優(yōu)先級(jí)，使ControlTask任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于ServerTask。圖5顯示了交換兩個(gè)任務(wù)調(diào)度優(yōu)先級(jí)后的運(yùn)行結(jié)果。系統(tǒng)行為更穩(wěn)定。SamplerTask任務(wù)（紅色）的CPU負(fù)載穩(wěn)定在20%左右，其周期行為穩(wěn)定，看門(mén)狗margin為一條“線(xiàn)”，維持在10毫秒。看門(mén)狗不會(huì)超時(shí)-問(wèn)題解決了！（注意：任務(wù)由于優(yōu)先級(jí)改變，對(duì)應(yīng)的顯示顏色也發(fā)生了變化）。

圖5 交換ServerTask與ControlTask優(yōu)先級(jí)結(jié)果

使用互斥信號(hào)量

當(dāng)多個(gè)任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)同一資源時(shí)，例如網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)或圖形顯示，可能會(huì)發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)。這種情況下，可以使用互斥信號(hào)量降低優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的影響。

互斥信號(hào)量是包含優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制的二值信號(hào)量，二值信號(hào)量更適合實(shí)現(xiàn)任務(wù)間或任務(wù)與中斷服務(wù)之間的同步操作，互斥信號(hào)量更適用于互斥實(shí)現(xiàn)。

用作互斥機(jī)制時(shí)，互斥信號(hào)量相當(dāng)于一個(gè)令牌，保護(hù)共享資源。當(dāng)任務(wù)希望訪(fǎng)問(wèn)該共享資源時(shí)，需要首先獲得（“take”）令牌。資源使用完后，任務(wù)必須釋放令牌，讓其它任務(wù)可以訪(fǎng)問(wèn)相同的資源。

互斥信號(hào)量允許指定阻塞時(shí)間，阻塞時(shí)間指示一個(gè)任務(wù)在嘗試獲取令牌時(shí)，如果令牌不可用，任務(wù)可以阻塞的最大節(jié)拍數(shù)。然而，與二值信號(hào)量的區(qū)別在于，互斥量支持優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制。這意味著，如果有一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在試圖獲取當(dāng)前持有令牌的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)占用的資源時(shí)，系統(tǒng)會(huì)臨時(shí)提升占有資源的任務(wù)優(yōu)先級(jí)別為被阻塞任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。該機(jī)制確保高優(yōu)先級(jí)的阻塞時(shí)間盡量短，從而盡量減少優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的時(shí)間。

優(yōu)先級(jí)繼承并不能解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，它只是最小化了反轉(zhuǎn)在某些情況下產(chǎn)生的影響。硬實(shí)時(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，需保證優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)不會(huì)發(fā)生。

使用Gatekeeper任務(wù)

在訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)資源時(shí)，為了避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，我們推薦使用“Gatekeeper”任務(wù)。Gatekeeper任務(wù)結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含一個(gè)控制資源的任務(wù)，接收數(shù)據(jù)/命令的隊(duì)列和一個(gè)回調(diào)函數(shù)。

應(yīng)用任務(wù)不直接訪(fǎng)問(wèn)資源，而是將數(shù)據(jù)/命令寫(xiě)入隊(duì)列。Gatekeeper任務(wù)處理接收到的數(shù)據(jù)/命令，并相應(yīng)地更新資源。資源狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，將觸發(fā)ISR (例如接收到一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)消息)，將信息放置在隊(duì)列中，然后，Gatekeeper任務(wù)將執(zhí)行回調(diào)函數(shù)，將新的數(shù)據(jù)傳給應(yīng)用任務(wù)。

此方法防止了系統(tǒng)資源訪(fǎng)問(wèn)時(shí)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的出現(xiàn)，是我們推薦的解決辦法。

圖6 Gatekeeper任務(wù)

結(jié)論

使用實(shí)時(shí)內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題是實(shí)時(shí)系統(tǒng)中出現(xiàn)得非常多的問(wèn)題。在嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)發(fā)生，或者可以通過(guò)可視化分析工具捕獲該問(wèn)題，通過(guò)相應(yīng)的RTOS方法降低其風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：湯梓紅