摘要：介紹引入事件驅(qū)動(dòng)觀念的搶占式多任務(wù)微型實(shí)時(shí)內(nèi)核——MicroStar的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；提出基于事件的優(yōu)先級(jí)這一新概念。

關(guān)鍵詞：事件驅(qū)動(dòng) 優(yōu)先級(jí) 任務(wù)管理 消息 信號(hào) 同步

市面上有很多優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），但在中低端微控制器（MCU）上運(yùn)行性能良好的RTOS內(nèi)核并不多。在高檔機(jī)下，功能強(qiáng)大、運(yùn)行極好的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，移植到中低端機(jī)上時(shí)性能很可能大幅度下降。一個(gè)很重要的原因就是它的大部分功能對(duì)中低檔系統(tǒng)來說是不需要的，反而成為制約性能的累贅。中低檔微控制器與高檔機(jī)相比，一方面，尋址能力有限，處理速度慢，在相同的實(shí)時(shí)性能要求下，對(duì)內(nèi)核的代碼效率的要求更為嚴(yán)格；另一方面，中低檔機(jī)完成的任務(wù)相對(duì)簡單，減少了對(duì)內(nèi)核的功能需求，比如可以不需要內(nèi)存管理。從嵌入式系統(tǒng)的共性來說，大多數(shù)情況下用戶程序和系統(tǒng)內(nèi)核是緊密結(jié)合在一起的，運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)器容量消耗、任務(wù)的數(shù)量、執(zhí)行時(shí)間和結(jié)果都是可以預(yù)計(jì)的，這可進(jìn)一步縮小對(duì)內(nèi)核的功能需求。

事件驅(qū)動(dòng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，任務(wù)應(yīng)該是被動(dòng)地響應(yīng)外界發(fā)生的各種事件，而不是主動(dòng)地去“查詢”，浪費(fèi)處理器時(shí)間。采用事件驅(qū)動(dòng)編程的方法，不僅提高了運(yùn)行效率，而且降低了事件處理之間的耦合，使程序流程非常清晰，從而可大大提高開發(fā)效率。

充分考慮中低端微控制器的硬件特點(diǎn)和嵌入式系統(tǒng)軟件的需求，引入“事件驅(qū)動(dòng)”的觀念，筆者開發(fā)了一個(gè)微型的搶占式多任務(wù)RTOS內(nèi)核——MicroStar。支持任務(wù)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、刪除、睡眠、掛起和恢復(fù)，提供消息（message）和信號(hào)（signal）兩種任務(wù)間的通信方案、完善的定時(shí)器服務(wù)和功能齊全的任務(wù)同步函數(shù)庫。限于篇幅，著重論述幾個(gè)與眾不同的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。

1 調(diào)度策略

1.1 基于事件的優(yōu)先級(jí)

對(duì)內(nèi)核的實(shí)時(shí)性能來說，調(diào)度策略是關(guān)鍵。好的調(diào)度策略，既要體現(xiàn)各任務(wù)因所處理的事件對(duì)實(shí)時(shí)性的不同要求而帶來的優(yōu)先級(jí)差異，又要保證一定的公平性，避免出現(xiàn)低優(yōu)先級(jí)任務(wù)長時(shí)間得不到執(zhí)行的極端情形。常用的調(diào)度策略有兩種：一種是按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(round robin)調(diào)度，如RTX51；另一種是嚴(yán)格按優(yōu)先級(jí)的占先式調(diào)度，如μC/OS。

按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度能很好地保證公平，但優(yōu)先級(jí)的差異是通過對(duì)處理器的占用時(shí)間的多少來體現(xiàn)的。如果各個(gè)任務(wù)都不主動(dòng)放棄執(zhí)行，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠比低優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得更多的處理器時(shí)間；但在嵌入式系統(tǒng)中，某個(gè)事件要求實(shí)時(shí)處理，并不意味著該處理需要較長的時(shí)間，而往往是要求盡快響應(yīng)。因此，采用按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，實(shí)時(shí)性不會(huì)太好。

如果嚴(yán)格按任務(wù)的優(yōu)先級(jí)來調(diào)度，可極大地提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但卻欠缺公平。如果高優(yōu)先級(jí)任務(wù)是個(gè)無等待的死循環(huán)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)就無法獲得執(zhí)行機(jī)會(huì)。

一個(gè)好的辦法是兩者的結(jié)合，即可由任務(wù)的優(yōu)先級(jí)產(chǎn)生調(diào)度，也可以由時(shí)間片到產(chǎn)生新的任務(wù)調(diào)度，如VxWorks；但是實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，不一定適合中低檔MCU。為此，基于以下事實(shí)，提出“基于事件的優(yōu)先級(jí)(events based priority)”這一新觀念。

① 一個(gè)任務(wù)往往處理多個(gè)事件，各個(gè)事件對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不盡相同。一般的RTOS下，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是根據(jù)這些事件中對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高的一個(gè)來確定的。因此，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在處理對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的事件時(shí)，完全可能會(huì)妨礙低優(yōu)先級(jí)任務(wù)處理具有一定實(shí)時(shí)性要求的事件。

② 有些情況下，對(duì)同一事件的處理可分為前臺(tái)處理和后臺(tái)處理：前臺(tái)處理所需時(shí)間短，對(duì)實(shí)時(shí)性有較高的要求；后臺(tái)處理花費(fèi)時(shí)間長，對(duì)實(shí)時(shí)性則無多大要求。

如果根據(jù)正在處理和等待處理的事件對(duì)實(shí)時(shí)性的不同要求，更細(xì)致地按事件處理的前后臺(tái)階段，動(dòng)態(tài)地調(diào)整任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，既可發(fā)揮實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，又可在一定限度內(nèi)保證公平。這種情況下，任務(wù)的優(yōu)先級(jí)不再是一成不變的，而是動(dòng)態(tài)地取決于所處理的事件和處理階段，這就是所謂的“基于事件的優(yōu)先級(jí)”。

1.2 在MicroStar中的實(shí)現(xiàn)

MicroStar中任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是由靜態(tài)優(yōu)先級(jí)和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)共同決定的。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)等同于其它RTOS中的優(yōu)先級(jí)；動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)為基于事件的優(yōu)先級(jí)——由內(nèi)核根據(jù)任務(wù)正在處理和等待處理的事件動(dòng)態(tài)調(diào)整。靜態(tài)優(yōu)先等級(jí)限定為0~15級(jí)，不允許創(chuàng)建靜態(tài)優(yōu)先級(jí)相同的任務(wù)。動(dòng)態(tài)優(yōu)先等級(jí)目前只有0(亦稱緊急級(jí))、