基于实时操作系统RTOS的优先级反转和避免反转的详细介绍

sunsili

基于实时操作系统RTOS的优先级反转和避免反转的详细介绍



实时操作系统（Real-time operating system, RTOS）是说，任务切换和中断响应的时间必须保证在多少时间内（如5us内）完成。
     分为硬实时和软实操作系统：
     硬实时是说必须在多少时间内完成切换（如VxWorks, 我们使用的ecos也是硬实时的）
     软实时则是绝大多数情况可以在多少时间内完成切换（如linux）

     从原理来看判断一个系统是否是实时只需要看它的调度算法即可，具体能实时在多少时间内，则要区分不同硬件了。

     为什么需要实时操作系统呢？
     举一个经常使用的实例，中高档汽车中使用的气囊。当报告车辆碰撞的传感器中断CPU后，操作系统应快速地分配展开气囊的任务，并且不允许任何其他非实时处理进行干扰，晚一秒钟展开气囊比没有气囊的情况更糟糕，这就是一个典型的必须使用硬实时的系统。
     除为中断处理提供确定性外，实时处理也需要支持周期性间隔的任务调度。大量控制系统要求周期性采样与处理。某个特定任务必须按照固定的周期（p）执行，从而确保系统的稳定性。考虑一下汽车的防抱死系统（ABS）。控制系统对车辆的每个车轮的转速进行采样（每秒最多 20 次）并控制每个制动器的压力（防止它锁死）。为了保持控制系统的正常工作，传感器的采样与控制必须按照一定的周期间隔。这意味着必须抢占其他处理，以便 ABS 任务能按照期望的周期执行。

     大多数实时操作系统使用的都是基于优先级的可抢占式调用策略，同一优先级则使用时间片轮转调度。

     什么是优先级反转
     优先级反转的含义是说高优先级的任务被迫等待低优先级任务执行。
     因为多进程共享资源， 当出现互斥资源访问时，基于优先级调度会有如下这种现象：
     三个任务task1, task2, task3，优先级 task1 > task2 > task3，当task1和task2某种原因被阻塞时，task3调度执行，task3执行时占用互斥资源A执行临界区代码时，很巧task1这时从阻塞状态恢复，基于优先级的调度会立即调度到task1执行，而task1执行时又需要持有互斥资源A，因此task1再度进入阻塞状态，等待task3执行。task3执行还未释放互斥资源A，这时task2从阻塞状态恢复立马得到调度执行并一直等到task2执行完毕。这时就相当于高优先级的task1需要等待中优先级的task2执行了，这就是优先级反转。

     如何避免优先级反转？
     解决优先级反转有许多方法，普遍使用的有两种：优先级继承；极限优先级。
     优先级继承：当高优先级的任务需要等待低优先级任务释放互斥资源时，暂时先把低优先级任务的优先级提升至和高优先级任务优先级一样。这样就确保了不会有其他中优先级任务抢占执行。（ecos产品使用这种）
     极限优先级：当任务占用互斥资源执行临界区代码时，先把该任务的优先级提升至极限优先级（系统最高优先级），等到释放资源时再降回原有优先级。

基于操作系统的优先级反转和避免反转的详细介绍
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(出处: 电路城)