基于OSEK/VDX標準的Trampoline操作系統(tǒng)研究
Trampoline完全支持OSEK標準要求,實現(xiàn)了OSEK操作系統(tǒng)統(tǒng)一的API接口,支持靜態(tài)配置,支持4個符合類,支持OSEK PCP協(xié)議。另外,Trampoline的設計還考慮到兩個方面――高可移植性和減少內(nèi)存使用量。
為了達到高可移植性,Trampoline設計了一個硬件抽象層來隔離底層的硬件差異,把平臺有關的代碼與平臺無關的代碼進行隔離。把Trampoline從一個目標平臺移植到另一個目標平臺,僅需要把與目標平臺有關的那部分代碼改寫一下就可以了,硬件抽象層之上的那部分不用修改,這大大減少了操作系統(tǒng)移植的工作量。在Trampoline代碼的組織中,不同目標平臺代碼放在不同的文件中,分離得很清楚。與目標平臺有關的代碼,僅僅是任務上下文切換、操作系統(tǒng)初始化及一些與硬件相關的函數(shù)(中斷使能、睡眠模式等)代碼。這部分代碼量減到了最少。由于車載嵌入式系統(tǒng)中的微控制器RAM容量很小,一般從幾百字節(jié)到幾K字節(jié),而增加RAM容量會增加產(chǎn)品的成本,在產(chǎn)品批量生產(chǎn)時往往會難以接受。Trampo―line在設計時盡量減少內(nèi)存的使用,并優(yōu)化了任務管理和中斷管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),把一部分不變的內(nèi)容放到ROM中,以減少RAM的使用要求。
下面著重分析Trampoline最核心的調(diào)度機制、任務管理、中斷管理的設計與實現(xiàn)。
2.1 調(diào)度機制
Trampoline使用靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。在系統(tǒng)生成階段,用戶為每一個任務分配一個優(yōu)先級。在不同的符合類下,優(yōu)先級與任務的對應關系不同。在BCCl和ECCl符合類下,一個優(yōu)先級僅對應一個任務,不同的任務有不同的優(yōu)先級,任務之間不能共享優(yōu)先級;而在BCC2和ECC2符合類下,一個優(yōu)先級可以對應多個任務,不同的任務可以共享同一個優(yōu)先級。任務有4種狀態(tài):就緒狀態(tài)、等待狀態(tài)、掛起狀態(tài)(僅ECCl和ECC2符合類下有)及運行狀態(tài)。
由于使用處于等待或者掛起狀態(tài)的任務時直接給出了該任務結(jié)構(gòu),因此Trampoline沒有使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理等待狀態(tài)和掛起狀態(tài)的任務;而對于就緒狀態(tài)的任務,在不同的符合類下,Trampoline采用了兩種不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來管理。由于在BCCl和ECCl符合類下不同的任務有不同的優(yōu)先級,Trampoline使用一個簡單的鏈表,按照任務的優(yōu)先級由高到低把就緒態(tài)任務描述符給連接起來;而在BCC2和ECC2符合類下,幾個任務可以共享一個優(yōu)先級,Trampoline使用了一個任務子集鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織就緒任務。共享一個優(yōu)先級的任務組成了一個任務子集,它們也組成了一個鏈表。然后把不同子集的鏈表表頭按優(yōu)先級由高到低鏈接起來,組成了所有就緒任務的鏈表,如圖l所示。由于按照優(yōu)先級由高到低的順序來組織任務子集鏈表,因此最高優(yōu)先級的任務總是在鏈表頭部,這樣會使調(diào)度器能快速選取到最高優(yōu)先級的任務,但也會導致低優(yōu)先級任務選取得很慢。本文引用地址:http://www.bjwjmy.cn/article/152492.htm
Trampoline使用一個tpl_running_task指針指向當前正在運行的任務。調(diào)度器管理著就緒任務的集合,當重新調(diào)度發(fā)生時,從就緒任務集合中選取一個最高優(yōu)先級的任務來執(zhí)行,并把它從就緒任務集合里刪除。然后,tpl_running_task指針指向該任務,并把任務的狀態(tài)由就緒態(tài)改為運行態(tài)。該任務將一直處在運行狀態(tài),直到運行結(jié)束或一個系統(tǒng)服務阻塞了它的執(zhí)行,或被一個更高優(yōu)先級任務搶占。另外,一個任務可以是不可搶占的。在這種情況下,它將一直占有CPU,直到運行結(jié)束(即使有一個更高優(yōu)先級就緒任務在等待)。Trampoline也支持使用任務組的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)混合調(diào)度。在這種調(diào)度模式下,把所有就緒任務分成不同的任務組,同一個任務組里的任務之間是不可搶占的,但它可以被這個組外的更高優(yōu)先級任務搶占。
2.2 任務管理
Trampoline使用任務描述符結(jié)構(gòu)(struct tpl_task)來管理任務的信息,其中包括系統(tǒng)運行時不斷變化的信息,如任務狀態(tài)、任務優(yōu)先級、任務的激活次數(shù)、任務的資源、
任務的事件等;還包括系統(tǒng)運行時不變的信息,如任務的上下文、任務的堆棧、任務代碼段入口地址、任務ID、任務基礎優(yōu)先級、最大激活次數(shù)和類型等信息。為了減少內(nèi)存的使用,Trampoline任務描述符結(jié)構(gòu)被分成圖2所示的兩個部分:第一部分是系統(tǒng)運行時不斷變化的數(shù)據(jù),保存在tpl_exec_common結(jié)構(gòu)里,它必須常駐RAM中;另一部分是在系統(tǒng)運行時不變的部分,保存在tpl_exec_static結(jié)構(gòu)里。在tpl_exec_common結(jié)構(gòu)里設置了一個指針static_desc,指向任務的tpl_exec_static結(jié)構(gòu)。由于tpl_exec_static里存放的信息在系統(tǒng)運行時是不變的,因此可以把這部分放到ROM里,以節(jié)省RAM的使用。在tpl_exec_static結(jié)構(gòu)里有兩部分是體系結(jié)構(gòu)相關的,即上下文結(jié)構(gòu)context和堆棧結(jié)構(gòu)stack,它們使用指向一個或多個RAM區(qū)域的指針來保存任務執(zhí)行的上下文和堆棧信息。這種設計使得不同的任務之間可以通過共享指向上下文或堆棧結(jié)構(gòu)的指針就能共享上下文和堆棧,從而可以減少任務上下文和堆棧所占用的存儲空間。另外,Trampoline上下文結(jié)構(gòu)的設計可以使用盡可能少的RAM。例如,如果目標平臺處理器沒有FPU(浮點處理器),Trampoline上下文結(jié)構(gòu)有兩個指針,第一個指向整數(shù)上下文的RAM區(qū)域,第二個指向浮點上下文RAM區(qū)域,這些RAM區(qū)域都是用來保存任務運行時要使用的整數(shù)寄存器或浮點寄存器的。然而,并不是每個任務都需要使用浮點寄存器,如果任務沒有使用FPU,第二個指針將會設為空,以避免分配浮點寄存器所占用的RAM空間。任務上下文和堆棧結(jié)構(gòu)都屬于與體系結(jié)構(gòu)有關的代碼,內(nèi)核不直接同這部分打交道,而是通過硬件抽象層來使用它們。這樣,使得與體系結(jié)構(gòu)相關的代碼與無關的代碼隔離起來,從而便于把它移植到其他平臺。
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