μC/OS-II软件定时器管理算法分析及改进

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 1、概述

  软件定时器是一种软件措施,通过它可以使一项特定的任务在给定的时间段后被执行。软件定时器广泛地应用于内核设计和应用程序设计中,例如,一个进程使用软件定时器等待其他的进程完成特定的动作,以使任务间的操作同步等,因此,对软件定时器的高效实现对提升系统的响应效率是至关重要的。

  作为一种基础的软件措施,μC/OS-II[1]的 V2.86版本中增加了对软件定时器的支持。使用μC/OS-II提供的软件定时器,应用程序可以方便地完成特定的定时任务。本文对μC/OS-II的软件定时器的实现机制进行简要分析,然后提出了对μC/OS-II的软件定时器的实现进行改进的方法。

2、μC/OS-II软件定时器的实现机制及算法分析

  2.1 μC/OS-II软件定时器的核心数据结构

   μC/OS-II实现软件定时器的核心数据结构是 OS_TMR,其定义如下:

  typedef struct os_tmr {

  INT8U OSTmrType; /*应该设置为OS_TMR_TYPE*/

  OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定时间到达时要执行的回调函数*/

  void *OSTmrCallbackArg; /*传递给回调函数的参数*/

  void *OSTmrNext; /*软件定时器链表管理指针*/

  void *OSTmrPrev;

  INT32U OSTmrMatch; /*当OSTmrTime == OSTmrMatch 时表示定时器时间到*/

  INT32U OSTmrDly; /*对于周期性定时器,再次启动定时器前的延时时间*/

  INT32U OSTmrPeriod; /*对于周期性定时器,时钟周期的长度*/

  INT8U OSTmrOpt; /*选项 (如 OS_TMR_OPT_xxx 等) */

  INT8U OSTmrState; /*定时器的状态*/

  } OS_TMR;

  每个 OS_TMR结构的实例定义了一个软件定时器,多个软件定时器通过结构中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev构成一个定时器双向链表。

  为了提高对软件定时器的管理效率,μC/OS-II引入了“定时器轮”数据结构,所谓定时器轮,是将定时器实例中的 OSTmrMatch域的值参照某一个预先设计的数(称为轮数)进行求余运算,并根据求余结果将定时器进行分组以改善对到期定时器的命中率。定时器轮数缺省配置如下:

  typedef struct os_tmr_wheel {

  OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定时器的指针*/

  INT16U OSTmrEntries; /*该定时器轮中的定时器项数*/

  } OS_TMR_WHEEL;

  缺省配置下,μC/OS-II 定义的轮数为8,因此,μC/OS-II 的定时器轮为如下的一个数组:

  OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl[8];

  例如,在某一个特定的时刻,此处假设时刻5,系统中有定时时间为2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的软件定时器,那么,这些定时器将在时钟滴答分别为7、9、10、37、166、362时到期,则此时系统的定时器轮的实例如图 1所示:

 

 

  2.2 μC/OS-II软件定时器的处理算法分析

  μC/OS-II对定时器的超时处理在一个称为“uC/OS-II Tmr”的任务中进行,该任务是通过信号量 OSTmrSemSignal来激活。基于以上定义的定时器轮,μC/OS-II对定时器的处理算法如下:

  static void OSTmr_Task (void *p_arg)

  {

  for(;;)

  {

  等待OSTmrSemSignal 信号量并获得OSTmrWheelTbl 的访问权;

  STmrTime = OSTmrTime+1,并对8 求余后得到对应的定时器轮项索引index;

  for OSTmrWheelTbl[index]定时器轮中的每一个定时器ptmr,do

  {

  if (OSTmrTime == ptmr->OSTmrMatch) {

  执行ptmr 软件定时器中的回调函数;

  对于单次定时器,从定时器轮中删除该时钟;

  对于周期性定时器,则重置该定时器的OSTmrMatch 值;

  }

  }

  释放对OSTmrWheelTbl 的访问权;

  }

  }

  2.3 μC/OS-II的定时器处理算法的效率分析 采用上面的例子,对μC/OS-II的定时器处理算法效率进行一个简单的分析:在下一次时钟滴答,也就是时钟滴答 6时,没有定时器到期,而 for循环必须对每个时钟进行检查,类似的情况还发生在自时钟到达 10以后的多个检查中。根据系统中的定时器的数量,这种无谓的检查将占用大量的 CPU时间。

3、对μC/OS-II的定时器管理算法的改进

  3.1 改进以后的数据结构设计

  对μC/OS-II的定时器管理算法进行改进的主要目标是:要么不对定时器进行检查,要检查则一定有定时器到期[2]。为了达到这个设计目标,需要对μC/OS-II的定时器轮进行重新设计。采用同样的 OS_TMR数据结构和 OS_TMR_WHEEL定时器轮结构,但是,对定时器轮的每一个项的功能进行重新规划:

  (1)定时器轮的第 1项到第 7项,即 OSTmrWheelTbl[1]到 OSTmrWheelTbl[7]的定时器轮,分别表示将在此后的第 1个时钟滴答到第 7个时钟滴答将到期的定时器项,此时,每个定时器结构的 OSTmrMatch中的值表示需要经过多少个时钟滴答该定时器项将到期。在同一个定时器轮中的多个定时器项通过 OSTmrNext和 OSTmrPrev指针构成双向链表。

  (2)定时器轮的第 0项,表示将至少需要经过 8个时钟滴答才到期的定时器,并通过

  OSTmrNext和 OSTmrPrev指针将这些定时器构成双向链表。 针对上面的同一个例子,按照此规划形成的新的定时器轮如图 2所示:

 

 

  3.2 改进的处理算法

  对定时器的超时处理仍然在“uC/OS-II Tmr”任务中进行,该任务还是通过信号量OSTmrSemSignal来激活,因此,对于基于该接口调用的应用程序可以不做任何修改即可正常运行。基于新规划的定时器轮,对定时器的处理算法如下:

  static void OSTmr_Task (void *p_arg)

  {

  STmrTime = 0;

  for(;;)

  {

  等待OSTmrSemSignal 信号量并获得OSTmrWheelTbl 的访问权;

  STmrTime = OSTmrTime+1;

  if (OSTmrTime < 8)

  {

  for OSTmrWheelTbl[OSTmrTime]定时器轮中的每一个定时器ptmr,do

  {

  执行ptmr 软件定时器中的回调函数;

  对于单次定时器,从定时器轮中删除该定时器;

  对于周期性定时器,则重置该定时器的OSTmrMatch 值;

  }

  }

  else // STmrTime == 8

  {

  for OSTmrWheelTbl[0]定时器轮中的每一个定时器ptmr,do

  {

  ptmr->OSTmrMatch = ptmr->OSTmrMatch – 8;//已经经过了8 个时钟滴答;

  if (ptmr->OSTmrMatch == 0) //到期定时值正好是8 的倍数

  {

  执行ptmr 软件定时器中的回调函数;

  对于单次时钟,从定时器轮中删除该定时器;

  对于周期性时钟重置该定时器的OSTmrMatch 值;

  continue;

  }

  if (ptmr->OSTmrMatch < 8) //少于8 个ticks 将到期的定时器

  {

  根据ptmr->OSTmrMatch 的值将ptmr 插入到相应的OSTmrWheelTbl

  定时器轮中;

  }

  }

  STmrTime = 0; //重新计数滴答;

  }

  释放对OSTmrWheelTbl 的访问权;

  }

  }

  3.3改进的处理算法的效率分析

  通过对改进以后的算法进行分析可以发现:在每一个时钟滴答,如果对应的定时器轮的OSTmrFirst指针不为NULL,则在该时钟滴答有到期的定时器,需要调用对应的回调函数。通过对定时器轮进行重新规划,避免了不必要的定时器到期检查,从而可节省 CPU时间,提高了运行效率。

4、结束语

  针对本文提出的改进算法,本文在基于 ARM7核的 LPC2210为 MCU的开发板 [3][4]上对改进以后的处理算法进行了测试,测试中建立了 1000个软件定时器,在其他负载相同的情况下,通过μC/OS-II的统计任务对 CPU的使用率进行了统计分析,统计发现 CPU的负载率降低了约9%。

  本文创新点:对μC/OS-II的定时器轮进行了重新规划,使得在每个时钟滴答对软件定时器进行处理时有效提高了到期定时器的命中率,进而降低了 CPU的负载率。

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