高效实时操作系统原理以及实践-临界区问题的产生,以及...
临界区问题是嵌入式软件编程一个不得不面对的关键性问题。特别对于底层驱动,代码在内存中只有一份,上层的多任务或者多进程,都会对同一个驱动去访问,这样不可避免的遇到了任务之间打架的问题,处理好这个问题是区分一个菜鸟和老鸟的根本性关键之一。接下来谈谈临界区产生的原因:
假设有以下代码:
int x;
void process_data()
{
x++;
}
假如在一个可以抢占的操作系统上有两个任务task1, task2, 全局变量x 的初始值为0, 现在两个任务task1, task2 同时去访问process_data 这个函数,两个任务各执行一次process_data 这个函数,等到两个人执行完毕后,试问x的值是多少?大部分人可能会回答为2。没有操作系统的时候,的却不错,调用函数2次,就是2.问题是有了操作系统就没这么简单了,一个任务执行期间,随时可能会被另外一个任务给打断,这样就会造成临界区的问题。
首先明确一个基本概念,在操作系统中每一个任务都有自己的一套寄存器,各个任务间的寄存器值很可能是不一样的。
下面来具体分析这个问题产生的根本原因:
x++不是一个原子型的操作,它的汇编函数有3句,分别是:
1 ldr r1,
2 add r1, r1, #1
3 strr1
如果有以下流程,参照下图:
假如任务task1 刚执行完(2)即 add r1, r1,#1, 因为是可以抢占的操作系统,所以被高优先级任务task 2 给抢占了,然后task 2 执行完(3) (4) (5)这三个步骤之后还给任务task 1, 最后task1 执行完(6)。
如前所述,图中的task1 和task2 的寄存器值是不同的,因为任务各自有自己的一套寄存器。读者可以推导一下,x 的最终值在内存中是1而不是2!
所以在多任务的情况下,共同去访问一个全局变量,会产生临界区的问题,如之前所述最终值可能是不确定的,可能是1也可能是2,所以需要采用操作系统的一定机制去保护它。
接下来谈谈怎么去解决这个问题。
解决方式一:
void process_data()
{
RAW_CPU_DISABLE();
x++;
RAW_CPU_ENABLE();
}
如上代码关了中断的话,任务也就不能被抢了,而且x++的速度很快,推荐使用这样的方式。
解决方式二:
void __process_data()
{
x++;
}
void process_data()
{
raw_disable_sche();
__process_data();
raw_enable_sche();
}
如上代码关了系统抢占后,任务之间的调度被禁止。
解决方式三:
void __process_data()
{
x++;
}
void process_data()
{
lock();
__process_data();
unlock ();
}
如上代码加软件锁之后,只能有一个任务处理此段临界区,lock可以是semaphore 或者mutex.
之前的例子演示的是任务和任务之间的打架冲突,会造成临界区问题,那如果是中断和任务之间的打架冲突呢?答案是一致的,唯一不同点是任务和任务之间的冲突可以有多种保护方式,但是任务和中断之间的冲突只能用关中断去保护,即采用之前的解决方式一来解决冲突。
临界区的产生原因有很多,往往是复杂的,考虑如下的fifo循环缓冲区:
struct raw_fifo {
RAW_U32 in; (1)
RAW_U32 out; (2)
RAW_U32 mask;
void *data;
RAW_U32 free_bytes;
RAW_U32 size;
};
(1) 处是fifo的的写指针,(2)处是fifo读指针
下面的代码是往fifo 里面写数据。
RAW_U32 fifo_in(struct raw_fifo *fifo,
const void *buf, RAW_U32 len)
{
RAW_U32 l;
RAW_SR_ALLOC();
RAW_CPU_DISABLE(); (1)
l = fifo_unused(fifo);
if (len > l)
len = l;
fifo_copy_in(fifo, buf, len, fifo->in); (2)
fifo->in += len; (3)
fifo->free_bytes -= len;
RAW_CPU_ENABLE(); (4)
return len;
}
(2)处代码为写入数据到fifo 中。
(3)处代码为更新fifo 写指针。
可以看到(1) 处为关cpu 中断,(4) 处为开cpu 中断。这样做的目的是保护临界区(2)和(3)处,(2) 和(3) 处是一个连贯的逻辑,这块逻辑是不能被打断的。
假设有两个任务task1, task2 同时执行fifo_in,当task1 执行完(2)之后,被高优先级任务task2抢占,当task2 执行(2)处代码时会覆盖task1之前写到fifo里面的数据,因为task1还未更新(3)处的写指针。 这个例子里用到了开关中断来保护临界区,因为中断里也会用到fifo 的api.
所以对于软件部分的临界区,往往要保护的是整个全局变量所引发的一系列逻辑。而不仅是保护那个全局变量,读者需要仔细体会。
接下来谈谈硬件临界区。所谓的硬件临界区是指一个任务在访问硬件设备的时候,比如写操作,这个时候不允许有其它任务,或者中断去访问这个操作,不然整个写的时序就被破坏了,很可能结果不可预料,往往会挂机。举例如下:
__nand_write()
{
…………………………..
……………………………
…………………………….
}
nand_write()
{
lock() (1)
__nand_write();
unlock(); (2)
}
(1)处和(2)处的锁往往是semphore 或者mutex, 推荐使用mutex, 因为可以更好地解决优先级反转的问题。
其实,对于MCU,Lock一次的成本太高。最好的办法是利用CPU实现2^N个固定锁,这样CPU可以在5~10个周期内锁住,完全由硬件控制,OS负责为程序请求锁提供偏移量。这样,在基于多CPU系统内,每个CPU共享这2^N个锁,同步时间可以控制在20个周期内,远远快于内存锁,除了锁数量较少。但是哪个程序会用到那么多锁呢? 本帖最后由 lulu爱 于 2013-11-3 20:47 编辑
利用CPU实现2^N个固定锁?请教如何实现?你是指的软件锁还是什么?我的前提是单个cpu, raw os 未来不会走smp架构只会走amp架构。
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