實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù) 課件 RTOS-第06章-RTOS下程序設(shè)計(jì)方法

RTOS本章導(dǎo)引：本章討論RTOS下程序設(shè)計(jì)下的若干問(wèn)題，包括穩(wěn)定性問(wèn)題，中斷服務(wù)程序（ISR）設(shè)計(jì)問(wèn)題，線程劃分與優(yōu)先級(jí)安排問(wèn)題，并發(fā)與資源共享問(wèn)題，以及優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題等，并針對(duì)各問(wèn)題討論了相應(yīng)的解決方案。第6章RTOS下程序設(shè)計(jì)方法6.1程序穩(wěn)定性問(wèn)題RTOS第6章RTOS下程序設(shè)計(jì)方法6.2ISR設(shè)計(jì)、線程劃分及優(yōu)先級(jí)安排問(wèn)題6.3利用信號(hào)量解決并發(fā)與資源共享的問(wèn)題6.4優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題6.5本章小結(jié)第1頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.1.1穩(wěn)定性的基本要求程序穩(wěn)定性問(wèn)題是程序設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，但實(shí)驗(yàn)室中的嵌入式產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)調(diào)試、測(cè)試、安裝，并最終投放到實(shí)際應(yīng)用中后，由于受到干擾往往還會(huì)出現(xiàn)很多故障和不穩(wěn)定的現(xiàn)象。穩(wěn)定性的基本要求有：保證CPU運(yùn)行的穩(wěn)定、保證通信的穩(wěn)定、保證物理信號(hào)輸入的穩(wěn)定、保證物理信號(hào)輸出的穩(wěn)定等。6.1程序穩(wěn)定性問(wèn)題第2頁(yè)共31頁(yè)RTOS看門(mén)狗定時(shí)器（WDOG）實(shí)際上是一個(gè)自動(dòng)計(jì)數(shù)器，其通過(guò)是否能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)將計(jì)數(shù)置零來(lái)判斷程序是否正常工作。在程序異常時(shí)，強(qiáng)制將系統(tǒng)復(fù)位?？撮T(mén)狗的應(yīng)用是為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，但對(duì)于程序開(kāi)發(fā)階段，看門(mén)狗的啟用可能會(huì)干擾對(duì)BUG的定位。6.1.2看門(mén)狗與定期復(fù)位的應(yīng)用注：WDOG實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\Wdog）第3頁(yè)共31頁(yè)RTOS在終端芯片中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)主程序正常執(zhí)行只有一個(gè)或少許功能運(yùn)行異常的情況，這時(shí)由于喂狗操作仍然定期進(jìn)行，程序并不會(huì)為排除異常主動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位重啟。定期復(fù)位方法就是每隔指定時(shí)間主動(dòng)進(jìn)行一次終端程序復(fù)位重啟操作。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不那么高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主動(dòng)重啟不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能造成破壞，而且可以避免出現(xiàn)看門(mén)狗無(wú)法監(jiān)控的程序異常，保證系統(tǒng)功能正常運(yùn)行。芯片重啟的方法：軟件復(fù)位函數(shù)、重新上電、拉低復(fù)位引腳等。第4頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.1.3臨界區(qū)的處理臨界資源主要分硬件和軟件兩種，硬件如打印機(jī)、串行通信接口等，軟件如消息緩沖隊(duì)列、變量等，訪問(wèn)臨界資源的代碼稱(chēng)為臨界區(qū)（CriticalSection）。臨界區(qū)也稱(chēng)為代碼臨界段，指處理時(shí)不可分割的代碼。為確保臨界段代碼的正常執(zhí)行，在NOS下，在進(jìn)入臨界段之前要關(guān)中斷，且臨界段代碼執(zhí)行完后應(yīng)立即開(kāi)中斷；而在RTOS下，通常利用信號(hào)量或互斥量來(lái)保證進(jìn)程對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)。第5頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.2ISR設(shè)計(jì)、線程劃分及優(yōu)先級(jí)安排問(wèn)題（重點(diǎn)）中斷服務(wù)程序ISR程序設(shè)計(jì)的基本要求是：短、小、精、悍。RTOS使用ISR來(lái)處理硬件中斷和異常。用戶ISR并不是一個(gè)線程，而是一個(gè)能快速響應(yīng)硬件中斷和異常的高速短例程。不同操作系統(tǒng)針對(duì)ISR跟線程之間的優(yōu)先關(guān)系問(wèn)題會(huì)采用不同的處理方式。如在MQX中線程能屏蔽優(yōu)先級(jí)比它低兩級(jí)的硬件中斷；而在RT-Thread中線程優(yōu)先級(jí)與中斷優(yōu)先級(jí)不作關(guān)聯(lián)。6.2.1ISR設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題第6頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.2.2線程劃分的基本原則對(duì)于線程的劃分標(biāo)準(zhǔn)有多種，沒(méi)有哪一種標(biāo)準(zhǔn)是最好的，只能選取最適合操作系統(tǒng)的一種，下面給出線程劃分的幾個(gè)簡(jiǎn)明原則。第一，功能集中原則。第二，時(shí)間緊迫原則。第三，周期執(zhí)行原則。第7頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.2.3線程優(yōu)先級(jí)安排問(wèn)題大多數(shù)RTOS操作系統(tǒng)均支持優(yōu)先級(jí)的搶占，當(dāng)某個(gè)高優(yōu)先級(jí)的線程處于就緒狀態(tài)時(shí)，就可以馬上獲得CPU資源得以運(yùn)行，所以線程優(yōu)先級(jí)的安排非常重要。具體來(lái)說(shuō)，線程優(yōu)先級(jí)的安排要點(diǎn)可以總結(jié)如下幾點(diǎn)：第一，初始自啟動(dòng)線程優(yōu)先級(jí)最高。第二，緊迫性線程優(yōu)先級(jí)安排。第三，同優(yōu)先級(jí)線程的安排。第四，有執(zhí)行順序要求的安排。第五，低優(yōu)先級(jí)的安排。第8頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.3利用信號(hào)量解決并發(fā)與資源共享的問(wèn)題6.3.1并發(fā)與資源共享的問(wèn)題1.銀行取錢(qián)問(wèn)題銀行取錢(qián)可以分為以下四個(gè)步驟：第一，用戶輸入賬戶密碼，系統(tǒng)判斷賬戶密碼是否匹配；第二，用戶輸入取款金額；第三，系統(tǒng)判斷賬戶余額是否大于取款金額；第四，如果賬戶余額大于取款金額，則取錢(qián)成功，如果余額小于取款金額，則取款失敗。第9頁(yè)共31頁(yè)RTOS2.并發(fā)的問(wèn)題現(xiàn)代操作系統(tǒng)是一個(gè)并發(fā)的系統(tǒng)，并發(fā)性是它的重要特征，操作系統(tǒng)的并發(fā)性指它具有處理和調(diào)度多個(gè)程序同時(shí)執(zhí)行的能力。例如：多個(gè)I/O設(shè)備同時(shí)在輸入輸出；內(nèi)存中同時(shí)有多個(gè)系統(tǒng)和用戶程序被啟動(dòng)交替、穿插地執(zhí)行等。并發(fā)性雖然能有效改善系統(tǒng)資源的利用率，但也會(huì)引發(fā)一系列的問(wèn)題，例如上述銀行取錢(qián)的問(wèn)題，由于A和B兩個(gè)線程并發(fā)的執(zhí)行，若不加“約束”，就會(huì)對(duì)結(jié)果造成很大的影響。第10頁(yè)共31頁(yè)RTOS3.共享緩沖區(qū)的問(wèn)題緩沖區(qū)（buffer）是內(nèi)存空間中用來(lái)緩沖輸入或輸出數(shù)據(jù)的部分。緩沖區(qū)的引入解決了高速設(shè)備與低速設(shè)備之間處理速度不匹配的問(wèn)題。共享緩沖區(qū)有效的解決了高速與低速設(shè)備之間速度不匹配的問(wèn)題，但也帶來(lái)了數(shù)據(jù)安全性等一些問(wèn)題，例如同時(shí)讀寫(xiě)文件的情況，由于文件是多個(gè)線程所共享的，若同時(shí)對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)不全或數(shù)據(jù)缺失等問(wèn)題。對(duì)于上述的問(wèn)題，利用信號(hào)量中的生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型，就可以很好的解決。第11頁(yè)共31頁(yè)RTOS6.3.2

應(yīng)用實(shí)例（重點(diǎn)）1.模型的描述生產(chǎn)者-消費(fèi)者的模型便是信號(hào)量的經(jīng)典用法之一，該模型能很好的解決多線程并發(fā)以及共享緩沖區(qū)引發(fā)的一系列的問(wèn)題。1）建立一個(gè)生產(chǎn)者線程，N個(gè)消費(fèi)者線程（N>1）；2）生產(chǎn)者和消費(fèi)者共用一個(gè)緩沖區(qū)，只能互斥訪問(wèn)緩沖區(qū)，并且緩沖區(qū)最多只能存放Max個(gè)資源。3）生產(chǎn)者線程向緩沖區(qū)中寫(xiě)入1個(gè)資源，當(dāng)存儲(chǔ)空間滿時(shí)，生產(chǎn)者不能向緩沖區(qū)寫(xiě)入資源，生產(chǎn)者線程阻塞。4）消費(fèi)者線程從緩沖區(qū)獲取1個(gè)資源，當(dāng)緩沖區(qū)中為空時(shí)，消費(fèi)者不能從緩沖中獲取資源，消費(fèi)者線程阻塞。注：生產(chǎn)者消費(fèi)者模型實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\Semaphore）第12頁(yè)共31頁(yè)RTOS2.編程過(guò)程-生產(chǎn)者線程生產(chǎn)者線程在進(jìn)入緩沖區(qū)之前，先等待空閑空間的信號(hào)量（即g_SPFree信號(hào)量），保證緩沖區(qū)中有空閑空間存放資源。若有該信號(hào)量，再等待緩沖區(qū)互斥量（即g_Mutex），以保證某一時(shí)刻最多只能有一個(gè)線程進(jìn)入緩沖區(qū)。當(dāng)上述的條件都滿足時(shí)，生產(chǎn)者進(jìn)入緩沖區(qū)，將一個(gè)自定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)放入隊(duì)列中。生產(chǎn)者線程完成此線程以后，先釋放緩沖區(qū)資源數(shù)的信號(hào)量（即g_SPSource信號(hào)量），以便“告知”消費(fèi)者線程此時(shí)緩沖區(qū)有可供使用的資源，再釋放緩沖區(qū)互斥量，能夠讓別的進(jìn)程進(jìn)入緩沖區(qū)。第13頁(yè)共31頁(yè)RTOS2.編程過(guò)程-消費(fèi)者線程消費(fèi)者線程在進(jìn)入緩沖區(qū)之前，首先等待緩沖區(qū)資源數(shù)的信號(hào)量（即g_SPSource信號(hào)量），保證緩沖區(qū)中有可供使用的資源。若有該信號(hào)量，再等待緩沖區(qū)互斥量（即g_Mutex信號(hào)量），保證某一時(shí)刻最多只能有一個(gè)線程使用緩沖區(qū)。當(dāng)上述的條件都滿足時(shí)，消費(fèi)者可進(jìn)入緩沖區(qū)，從隊(duì)列中的一個(gè)數(shù)據(jù)出隊(duì)。消費(fèi)者線程完成線程以后，先釋放空閑空間的信號(hào)量（即g_SPFree信號(hào)量），以便“告知”生產(chǎn)者線程此時(shí)緩沖區(qū)中有空閑空間存放資源，再釋放緩沖區(qū)的信號(hào)量，能夠讓別的進(jìn)程進(jìn)入緩沖區(qū)。注：生產(chǎn)者消費(fèi)者模型實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\Semaphore）第14頁(yè)共31頁(yè)RTOS3.程序執(zhí)行流程分析與運(yùn)行結(jié)果每當(dāng)生產(chǎn)者線程想要生產(chǎn)一個(gè)資源時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)以下流程：申請(qǐng)一個(gè)空閑空間信號(hào)量→申請(qǐng)進(jìn)入緩沖區(qū)→進(jìn)入緩沖區(qū)→生產(chǎn)一個(gè)資源（數(shù)據(jù)進(jìn)隊(duì)列）→釋放一個(gè)緩沖區(qū)資源的信號(hào)量→離開(kāi)緩沖區(qū)（釋放緩沖區(qū)資源）。每當(dāng)消費(fèi)者線程想要消費(fèi)一個(gè)資源時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)以下流程：申請(qǐng)一個(gè)緩沖區(qū)資源的信號(hào)量→申請(qǐng)進(jìn)入緩沖區(qū)→進(jìn)入緩沖區(qū)→消耗一個(gè)資源（數(shù)據(jù)出隊(duì)列）→釋放一個(gè)空閑空間信號(hào)量→離開(kāi)緩沖區(qū)（釋放緩沖區(qū)資源）。注：生產(chǎn)者消費(fèi)者模型實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\Semaphore）第15頁(yè)共31頁(yè)RTOS注：生產(chǎn)者消費(fèi)者模型實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\Semaphore）第16頁(yè)共31頁(yè)程序開(kāi)始運(yùn)行后，通過(guò)串口輸出某一個(gè)線程（可能是消費(fèi)者線程或者生產(chǎn)者線程）在某一時(shí)刻的運(yùn)行情況，結(jié)果如圖所示。RTOS優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題是一個(gè)在操作系統(tǒng)下編程可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，若運(yùn)用不當(dāng)可能引起嚴(yán)重問(wèn)題，本節(jié)首先給出出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)歷史實(shí)例，再給出優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的一般描述，并利用程序進(jìn)行演示，以直觀地描述出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)的場(chǎng)景；隨后給出使用RT-Thread互斥量避免優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的編程方法，第10章將對(duì)互斥量原理進(jìn)行剖析。6.4優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題（難點(diǎn)）第17頁(yè)共31頁(yè)RTOS1.優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題實(shí)例——火星探路者問(wèn)題“火星探路者”于1997年07月04日在火星表面著陸。在開(kāi)始的幾天內(nèi)工作穩(wěn)定，并傳回大量數(shù)據(jù)，但是幾天后，“探路者”開(kāi)始出現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)是發(fā)生了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。其中有如下兩個(gè)線程需要互斥訪問(wèn)共享資源“信息總線”：6.4.1優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的出現(xiàn)第18頁(yè)共31頁(yè)RTOST1：總線管理線程，高優(yōu)先級(jí)（這里用T1表示），負(fù)責(zé)在總線上放入或者取出各種數(shù)據(jù)，頻繁進(jìn)行總線數(shù)據(jù)I/O，它被設(shè)計(jì)為最重要的線程，并且要保證能夠每隔一定的時(shí)間就可以操作總線。對(duì)總線的異步訪問(wèn)是通過(guò)互斥信號(hào)量來(lái)保證的。T6：數(shù)據(jù)收集線程，優(yōu)先級(jí)低（這里用T6表示），它運(yùn)行頻度不高，只向總線寫(xiě)數(shù)據(jù)，并通過(guò)互斥信號(hào)量將數(shù)據(jù)發(fā)布到“信息總線”。如果數(shù)據(jù)收集線程T6持有信號(hào)量期間，總線管理線程T1就緒，并且也申請(qǐng)獲取信號(hào)量，則總線管理線程T1阻塞，直到數(shù)據(jù)收集線程T6釋放信號(hào)量。第19頁(yè)共31頁(yè)RTOS這樣看起來(lái)會(huì)工作很好，當(dāng)數(shù)據(jù)收集線程很快完成后，高優(yōu)先級(jí)的總線管理線程會(huì)很快得到運(yùn)行。但是，另有一個(gè)需要較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的通信線程（這里用T3表示），其優(yōu)先級(jí)比T6高，比T1低，在很少情況下，如果通信線程被中斷程序激活，并且剛好在總線管理線程（T1）等待數(shù)據(jù)收集線程（T6）完成期間就緒，這樣T3將被系統(tǒng)調(diào)度，從而比它低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)收集線程T6得不到運(yùn)行，因而使最高優(yōu)先級(jí)的總線管理線程（T1）也無(wú)法運(yùn)行，一直被阻塞在那里。在經(jīng)歷一定的時(shí)間后，看門(mén)狗觀測(cè)到“總線”沒(méi)有活動(dòng)，將其解釋為嚴(yán)重錯(cuò)誤，并使系統(tǒng)復(fù)位。第20頁(yè)共31頁(yè)RTOS2.優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的一般性描述可從一般意義上描述優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。當(dāng)線程以獨(dú)占方式使用共享資源時(shí)，可能出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)線程先于高優(yōu)先級(jí)線程被運(yùn)行的現(xiàn)象，這就是線程優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，可進(jìn)行如下一般性描述。假設(shè)有三個(gè)線程Ta、Tb、Tc，其優(yōu)先級(jí)分別記為Pa、Pb、Pc，且有Pa>Pb>Pc，Ta和Tc需要使用一個(gè)共享資源S，Tb并不使用S。注：優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\PrioReverseProblem）第21頁(yè)共31頁(yè)RTOS又假設(shè)用互斥型信號(hào)量x（x=0,1）標(biāo)識(shí)對(duì)S的獨(dú)占訪問(wèn)，初始時(shí)x=1。表6-1給出了一個(gè)運(yùn)行時(shí)序。設(shè)t0時(shí)刻，Tc開(kāi)始運(yùn)行并獲取信號(hào)量（即x由1變?yōu)?）使用S。t1時(shí)刻，Ta被調(diào)度運(yùn)行（因?yàn)镻a>Pc，可以搶占Tc）。運(yùn)行到t2時(shí)刻，Ta訪問(wèn)S，但由于Tc未釋放S（即x=0，只有Tc釋放S，使得x=1，Ta才能使用S），所以Ta變?yōu)樽枞麘B(tài)。直到x=1時(shí)，Ta才能變回就緒態(tài)，被重新調(diào)度運(yùn)行。若t3時(shí)刻，Tb搶占Tc獲得運(yùn)行，這樣就出現(xiàn)了Tb雖然優(yōu)先級(jí)比Ta低，但比Ta先運(yùn)行的不合理情況，這就是優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。注：優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\PrioReverseProblem）第22頁(yè)共31頁(yè)RTOS第23頁(yè)共31頁(yè)RTOS注：優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\PrioReverseProblem）第24頁(yè)共31頁(yè)圖給出了演示結(jié)果，從中可以直觀地了解優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。RTOS上述分析可以看出，要解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題可以在Tc獲取共享資源S期間，將其優(yōu)先級(jí)臨時(shí)提高到Pa，使Tb不能搶占Tc，這就是所謂的優(yōu)先級(jí)繼承。一般表述為：設(shè)有兩個(gè)線程Ta、Tc，其優(yōu)先級(jí)分別記為Pa、Pc，且有Pa>Pc，Ta和Tc需要使用一個(gè)共享資源S。優(yōu)先級(jí)繼承是指當(dāng)Tc鎖定一個(gè)同步量使用S期間，若Ta申請(qǐng)?jiān)L問(wèn)S，則將Pc臨時(shí)提高到Pa，直到其釋放同步量后，再恢復(fù)到原有的優(yōu)先級(jí)Pc，這樣優(yōu)先級(jí)介于Pa與Pc之間的線程就不會(huì)在Tc鎖定S時(shí)搶占Tc，避免了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。6.4.2RT-Thread中避免產(chǎn)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的方法第25頁(yè)共31頁(yè)RTOSRT-Thread中的互斥量就具有此功能，因此使用互斥量作為同步量即可解決上述例子中的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。此處給出使用互斥量的優(yōu)先級(jí)繼承方法解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題的例程，設(shè)置三個(gè)線程線程taskA、taskB、taskC，優(yōu)先級(jí)分別為Pa、Pb、Pc，且Pa>Pb>Pc。程序具體的一次運(yùn)行過(guò)程如表6-2所示。注：使用互斥量的優(yōu)先級(jí)繼承方法實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\PrioReverseSolve）第26頁(yè)共31頁(yè)RTOS第27頁(yè)共31頁(yè)RTOS注：使用互斥量的優(yōu)先級(jí)繼承方法實(shí)例演示（..\03-Software\CH06-Design-method\PrioReverseSolve）第28頁(yè)共31頁(yè)程序運(yùn)行結(jié)果：RTOS運(yùn)行流程分析（重點(diǎn)）：taskC首先到來(lái)，獲得CPU使用權(quán)開(kāi)始運(yùn)行，點(diǎn)亮小燈并鎖定互斥量。5秒后，taskA到來(lái)，由于Pa>Pc，所以搶占taskC獲得CPU使用權(quán)并熄滅小燈。但是當(dāng)taskA運(yùn)行至請(qǐng)求鎖定互斥量時(shí)，發(fā)現(xiàn)taskC此時(shí)已鎖定互斥量，因此RT-Thread會(huì)臨時(shí)提升taskC的優(yōu)先級(jí)至與taskA相同（即Pa），使得taskC重新獲得CPU使用權(quán)，使taskA等待taskC解鎖互斥量。而緊隨著taskA到來(lái)的taskB，由于taskC優(yōu)先級(jí)的提升，也進(jìn)入等待狀態(tài)。第29頁(yè)共31頁(yè)RTOStaskC執(zhí)行完畢后解