μC／OS-II定時器算法分析與測試

引 言
μC／OS-II操作系統(tǒng)是建立在微內(nèi)核基礎上的實時操作系統(tǒng)，搶占式多任務、微內(nèi)核、移植性好等特點，使其在諸多領域都有較好的應用。
在μC／OS-II 2．83及其以后的版本中，一個較大的變化就是增加了對軟件定時器的支持。這使得μC／OS實時操作系統(tǒng)的功能更加完善，在其上的應用程序開發(fā)與移植也更加方便。在實時操作系統(tǒng)中一個好的軟件定時器實現(xiàn)要求有較高的精度、較小的處理器開銷，且占用較少的存儲器資源。本文在對μC／OS-II定時器算法分析的基礎上，對定時精度和處理器占用情況進行了分析與測試，其結果在實時系統(tǒng)的設計與應用中具有借鑒意義。

1 定時器實現(xiàn)架構
在μC／OS-II操作系統(tǒng)內(nèi)部，任務的延時功能及軟件定時器功能，都需要底層有一個硬件的計數(shù)器支持。硬件計數(shù)器以固定的頻率遞減，計數(shù)到0時，觸發(fā)時鐘中斷。這個特定的周期性的中斷稱為“時鐘節(jié)拍”。每當有時鐘節(jié)拍到來時，系統(tǒng)在保存現(xiàn)場和中斷嵌套計數(shù)加1后都會跳到時鐘節(jié)拍函數(shù)OSTimTick()中，進行軟件計數(shù)器加1和遍歷任務控制塊，以判斷任務延時是否到時。
μC／OS-II中并未在 OSTim Tick()中進行定時器到時判斷與處理，而是創(chuàng)建了一個高于應用程序中所有其他任務優(yōu)先級的定時器管理任務OSTmr_Task()，在這個任務中進行定時器的到時判斷和處理。時鐘節(jié)拍函數(shù)通過信號量給這個高優(yōu)先級任務發(fā)信號。這種方法縮短了中斷服務程序的執(zhí)行時間，但也使得定時器到時處理函數(shù)的響應受到中斷退出時恢復現(xiàn)場和任務切換的影響。軟件定時器功能實現(xiàn)代碼存放在tmr．c文件中，移植時需只需在os_cfg．h文件中使能定時器和設定定時器的相關參數(shù)。

2 μC／OS-II的軟件定時器算法分析
μC／OS-II中軟件定時器的實現(xiàn)方法是，將定時器按定時時間分組，使得每次時鐘節(jié)拍到來時只對部分定時器進行比較操作，縮短了每次處理的時間。但這就需要動態(tài)地維護一個定時器組。定時器組的維護只是在每次定時器到時時才發(fā)生，而且定時器從組中移除和再插入操作不需要排序。這是一種比較高效的算法，減少了維護所需的操作時間。
2．1 定時器管理所需的數(shù)據(jù)結構
一旦定時器被建立，一個定時器控制塊(OS_TMR)就被賦值了。定時器控制塊是定時器管理的基本單元，包含定時器的名稱、定時時間、在鏈表中的位置、使用狀態(tài)、使用方式，以及到時回調(diào)函數(shù)及其參數(shù)等基本信息。
在μC／OS-II軟件定時器中實現(xiàn)了3類鏈表的維護：

OSTmrTbl[OS_TMR_CFG_MAX]：以數(shù)組的形式靜態(tài)分配定時器控制塊所需的RAM空間，并存儲所有已建立的定時器控制塊。
OSTmrFreeLiSt：為空閑定時器控制塊鏈表頭指針。空閑態(tài)的定時器控制塊(OS_TMR)中，OSTmrnext和OSTmrPrev兩個指針分別指向空閑控制塊的前一個和后一個，組織了空閑控制塊雙向鏈表。建立定時器時，從這個鏈表中搜索空閑定時器控制塊。
OSTmrWheelTbl[OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE]：該數(shù)組的每個元素都是已開啟定時器的一個分組，元素中記錄了指向該分組中第一個定時器控制塊的指針，以及定時器控制塊的個數(shù)。運行態(tài)的定時器控制塊(OS_TMR)中，OSTmrnext和OSTmrPrev兩個指針同樣也組織了所在分組中定時器控制塊的雙向鏈表。定時器管理所需的數(shù)據(jù)結構示意圖如圖1所示。

2．2 軟件定時器實現(xiàn)原理
宏OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE定義了OSTmr-WheelTbl[]數(shù)組的大小，同時這個值也是定時器分組的依據(jù)。按照定時器到時值與OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE相除的余數(shù)進行分組：不同余數(shù)的定時器放在不同分組中；相同余數(shù)的定時器處在同一組中，由雙向鏈表連接。這樣，余數(shù)值為0～OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE-1的不同定時器控制塊，正好分別對應了數(shù)組元素OSTmr-WheelTbl[0]～OSTmrWheelTbl[OS_TMR_CFGWHEEL_SIZE-1]的不同分組。每次時鐘節(jié)拍到來時，時鐘數(shù)OSTmrTime值加1，然后也進行求余操作，只有余數(shù)相同的那組定時器才有可能到時，所以只對該組定時器進行判斷。這種方法比循環(huán)判斷所有定時器更高效。隨著時鐘數(shù)的累加，處理的分組也由0～OS_TMR_CFG_WHE EL_SIZE-1循環(huán)。
信號量喚醒定時器管理任務，計算出當前所要處理的分組后，程序遍歷該分組中的所有控制塊，將當前OSTmr-Time值與定時器控制塊中的到時值相比較。若相等(即到時)，則調(diào)用該定時器到時回調(diào)函數(shù)；若不相等，則判斷該組中下一個定時器控制塊。如此操作，直到該分組鏈表的結尾。定時器管理任務的流程如圖2所示。OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE的取值推薦為2的N次方，以便采用移位操作計算余數(shù)，縮短處理時間。

2．3 定時器移除和插入操作
定時器的到時處理函數(shù)返回后，都要進行該定時器控制塊在鏈表中的移除和再插入操作。插入前需要重新計算定時器下次到時時所處的分組。計算公式如下：
定時器下次到時的OSTmrTime值=定時器定時值+當前OSTmrTime值
新的分組=定時器下次到時的OSTmrTime值％OS_TMR_CFG_WHEEL_SIZE

3 定時器精度與抖動
在μC／OS-II操作系統(tǒng)中，與定時相關的功能均基于系統(tǒng)的時鐘節(jié)拍。系統(tǒng)每秒的時鐘節(jié)拍數(shù)決定了這個系統(tǒng)能分辨的最小時間，定時值只能為最小時間的倍數(shù)。每秒的時鐘節(jié)拍數(shù)由os_cfg．h．文件中的宏OS_TICKS_PER_SEC定義。對于不同的應用，該時鐘節(jié)拍一般在10～100次／s的范圍內(nèi)選取。其對應的時鐘中斷的時間間隔為100～10 ms，即時間的最小分辨單位為10 ms。處理器處理能力越高，每秒的時鐘節(jié)拍數(shù)也相應地越大。下面的數(shù)據(jù)測試中使用了ARM9處理器。最低運行頻率為250 Hz時，時鐘節(jié)拍設為200次／s，可進行正常的多任務調(diào)度。該測試環(huán)境下，最小分辨時間為5 ms。
抖動是指定時器回調(diào)函數(shù)開始執(zhí)行的時間與規(guī)定的時間相比，或提前或推后的現(xiàn)象。在定時器中抖動總是存在的。下面主要分析2種抖動情況及其對定時精度的影響。第1種抖動情況如圖3所示。

T1：CPU響應時鐘中斷，搜索中斷號，保存中斷現(xiàn)場并跳到時鐘中斷處理程序OSTimTick的時間。
T2：OSTimTick()函數(shù)的執(zhí)行時間。該函數(shù)中對任務延時是否到期進行了判斷。
T3：恢復現(xiàn)場，退出中斷并進行任務上下文切換的時間。
T4：定時器管理任務OSTmr_Task()判斷定時器是否到時的時間。
T4之后：定時器到時回調(diào)函數(shù)開始執(zhí)行。