μC/OSII中软件定时器的优缺点与改进

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μC/OSII具有小巧、性能稳定、开源等众多优点，并且μC/OSII大部分用ANSI C语言编写，系统的移植非常容易。在μC/OSII I2.81及以后的版本中[2]，加入了对软件定时器的支持，使得μC/OSII操作系统更加完善。
　　μC/OSII是一种基于优先级的抢占式操作系统，实时性很强。而系统中软件定时器没有优先级，回调函数顺序执行，这样就降低了系统的实时性。因此，本文对软件定时器进行改进，定时器中加入优先级，回调函数按优先级执行，从而提高系统的实时性。
　　1  对软件定时器的介绍
　　μC/OSII系统中的时间管理功能包括任务延时与软件定时器，而软件定时器的主要作用是，对函数周期性或者一次性执行的定时，利用软件定时器控制块与“定时器轮”管理软件定时器。定时器控制块的结构如同任务控制块，创建一个定时器时，从空闲定时器控制块链表中得到一个空闲控制块，并对其赋值。
　　软件定时器也需要一个时钟节拍驱动，而这个驱动一般是硬件实现的，一般使用μC/OSII操作系统中任务延时的时钟节拍来驱动软件定时器。每个时钟节拍OSTmrCtr（全局变量，初始值为0）增1， 当OSTmrCtr的值等于为OS_TICKS_PER_SEC /OS_TMR_CFG_TICKS_PER_SEC（此两者的商决定软件定时器的频率）时，调用函数OSTmrSignal（），此函数发送信号量OSTmrSemSignal（初始值为0，决定软件定时器扫描任务OSTmr_Task的运行）。也就是说，对定时器的处理不在时钟节拍中断函数中进行，而是以发生信号量的方式激活任务OSTmr_Task（具有很高的优先级）。任务OSTmr_Task对定时器进行检测处理，包括定时器定时完成的判断、回调函数的执行。
　　μC/OSII 2.86中与软件定时器相关的函数包括：
　　① 软件定时器内部静态函数。获取与释放定时器控制块函数OSTmr_Alloc（）、OSTmr_Free（）；定时器插入相应“时间轮”组函数OSTmr_Link（）；从相应“时间轮”组中删除定时器函数OSTmr_Unlink（）；软件定时器任务初始化函数OSTmr_InitTask（）；定时器扫描任务OSTmr_Task；定时器上锁与解锁函数OSTmr_Lock（）与OSTmr_Unlock（）（在μC/OSII 2.91中，此两函数被任务调度锁定与解锁函数代替）。
　　② 定时器外部接口函数。定时器创建与删除函数OSTmrCreate（）、OSTmrDel（）；定时器启动与停止函数OSTmrStart（）、OSTmrStop（）；定时器剩余时间与当前状态查询函数OSTmrRemainGet（）、OSTmrStateGet（）；软件定时器的初始化OSTmr_Init（）；发送信号量OSTmrSemSignal函数OSTmrSignal（）；定时器名称查询函数OSTmrNameGet（）。
　　由于软件定时器的回调函数的执行都是在任务OSTmr_Task中执行，如果多个定时器同时定时完成，则在定时器任务中执行多个定时器的回调函数，因此定时器任务的执行时间不确定。而且定时器回调函数是顺序执行的，如果某个定时器回调函数需要尽快执行以实现精确定时，就难以实现了。由于各个定时器没有优先级，因此了影响系统的实时性。
　　2  对软件定时器的改进
　　为提高软件定时器回调函数执行的实时性，给每个定时器赋予一个优先级。当定时完成时，并且定时器的回调函数不为空，则把定时器的优先级写于软件定时器就绪表中。任务OSTmr_Task对相应“时间轮”检查结束后，如果在扫描各个定时器前软件定时器就绪表为零而扫描之后不为零，则发送信号量激活回调函数任务OSTmr_TaskCallback。在此任务中，回调函数根据软件定时器就绪表中的优先级执行相应的回调函数，这样就提高了系统的实时性。
　　2.1  对软件定时器相关数据结构改进
　　① 定义结构体OS_TMR_CALL，存储定时器的回调函数、函数的参数、定时器指针，形式如下：
　　typedefstructos_tmr_call {
　　OS_TMR_CALLBACKOSTmrCallback; /*回调函数*/
　　void *OSTmrCallbackArg;/*回调函数指针*/
　　OS_TMR *OSTmr; /*定时器指针*/
　　} OS_TMR_CALL;
　　在头文件ucos_ii.h中，定义OSTmrCallbackTbl[OS_TMR_CFG_MAX]，OS_TMR_CFG_MAX表示系统中配置的软件定时器数量。
　　② 在软件定时器控制块中加入成员变量OSTmrPrio（定时器优先级），删去变量OSTmrCallback（回调函数）、OSTmrCallbackArg（回调函数参数），为了测试的方便，可暂不删除这两个变量。
　　③ 定义定时器就绪表：
　　INT8UOSTmrRdyGrp；
　　INT8UOSTmrRdyTbl[OS_TMR_CFG_MAX/8 + 1]；
　　当定时器定时完成时，把定时器优先级写入就绪表，回调函数任务根据优先级执行回调函数。
　　④ 定义信号量OSTmrSemCallback（初始值0 ），当定时完成后，发送此信号量，激活回调函数任务，以执行回调函数。
　　2.2  与软件定时器相关的函数函数与任务的改进
　　2.2.1  软件定时器创建函数OSTmrCreate
　　在创建函数OSTmrCreate的参数中加入优先级参数prio。调用创建函数时，对定时器控制块中的成员变量赋值，并给回调函数数组的相应单元赋值，形式如下：
　　OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmrCallback = callback;
　　OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmrCallbackArg = callback_arg;
　　OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmr = ptmr;
　　2.2.2  对定时器任务OSTmr_Task的改进
　　当有定时器定时完成，把定时器优先级写入软件定时器就绪表中，并根据就绪表前后的值判断时候发送信号量OSTmrSemSignal，以激活回调函数任务。任务OSTmr_Task的流程如图1所示。

图1  OSTmr_Task的流程
　　把定时器优先级写入定时器就绪表的代码如下所示：
　　if （OSTmrTime == ptmr>OSTmrMatch） {
　　prio = ptmr>OSTmrPrio;
　　pfnct =OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;
　　if （pfnct != （OS_TMR_CALLBACK）0） { /*加入定时器回调函数就绪表*/
　　OSTmrRdyGrp|= （INT8U）（1 《 （INT8U）（prio 》 0x03））；
　　OSTmrRdyTbl[prio >> 0x03]|= （INT8U）（1 《 （INT8U）（prio & 0x07））；
　　}
　　}
　　2.2.3  对定时器停止函数OSTmrStop（）的修改
　　函数OSTmrStop只需修改与回调函数执行相关的部分即可，例如，case OS_TMR_OPT_CALLBACK_ARG: 部分的代码如下：
　　case OS_TMR_OPT_CALLBACK_ARG:
　　prio = ptmr>OSTmrPrio;
　　pfnct = OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;
　　if （pfnct != （OS_TMR_CALLBACK）0） {
　　……/*prio加入定时器就绪表*/
　　OSTmrCall[prio].OSTmrCallbackArg =（void *）callback_arg;
　　OSSemPost（OSTmrSemCallback）； /*发送回调函数执行信号量*/
　　}else {
　　*perr = OS_ERR_TMR_NO_CALLBACK;
　　}
　　而case OS_TMR_OPT_CALLBACK:部分的代码同上，只是回调函数的参数不需要重新赋值。
　　2.2.4  回调函数任务OSTmr_TaskCallback（）
　　在源文件tmr.c中加入回调函数任务OSTmr_TaskCallback（），根据定时器就绪表中的优先级执行相应回调函数，回调函数任务的结构如下所示：
　　static voidOSTmr_TaskCallback（void *p_arg） {……/*变量定义*/
　　for （；；）{//请求信号量OSTmrSemCallback
　　OSSemPend（OSTmrSemCallback, 0, &err）；
　　OSTmr_Lock（）；/*定时器上锁*/
　　while （OSTmrRdyGrp） {
　　……/*从定时器就绪表中得到最高优先级的定时器回调函数*/
　　……/*删除就绪表中的占有位*/
　　OSTmr_Unlock（）； /*定时器上锁*/
　　pfnct = OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;
　　（*pfnct）（（void *）（OSTmrCall[prio].OSTmr），OSTmrCall[prio].OSTmrCallbackArg）； /*执行回调函数*/
　　OSTmr_Lock（）； /*定时器上锁*/
　　}
　　OSTmr_Unlock（）；/*定时器解锁*/
　　}
　　}
　　由以上代码可知，访问就绪表时定时器上锁，而执行回调函数时处于定时器解锁状态。如果回调函数执行时间较长，在下一个软件定时器节拍到来时，定时器扫描任务可以得到及时的执行，当前回调函数执行完成后，可以及时得执行就绪表中最高优先级定时器的回调函数。由此可以看出，高优先级定时器的回调函数得到及时执行，系统的实时性提高。
　　实验测试发现，在回调函数任务OSTmr_TaskCallback中，使用任务调度上锁与解锁比使用定时器上锁与解锁（即信号量的请求）执行速度快一些。毕竟回调函数任务的优先级很高（一般仅次于定时器扫描任务OSTmr_Task的优先级），所以使用任务调度锁定比定时器锁定要好一些。当然，还可以使用开关中断的方式对就绪表进行访问，可以根据实际情况选择使用哪种方式。
　　3  实验测试
　　本次实验使用软件开发环境IAR 5.30，以基于CortexM3内核的路虎LPC1768开发板作为硬件实验平台[6]，对实时操作系统μC/OSII 2.86进行改进。
　　对改进后的操作系统进行测试，在主函数中创建一个启动任务，在启动任务中创建4个周期定时器（系统中“时间轮”数设为4），赋予不同优先级与定时值，每个定时器控制一个LED的闪烁，启动这4个定时器。在启动函数中创建4个任务，每个任务也是控制一个LED灯的闪烁（利用任务延时），之后启动任务挂起。利用μC/OSII CSPY插件观察各定时器的运行情况，如图2所示。

图2  软件定时器运行界面
　　经实验测试，系统运行正常，定时器回调函数得到及时的执行，系统实时性得到很大的提高。
　　4 结语
　　软件定时器改进后，定时器任务的执行时间确定，仅与同时完成定时的定时器数目有关，对处于就绪表中的定时器回调函数按优先级执行，使高优先级定时器的回调函数得到及时的执行，提高了系统的实时性。