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浅析μCOS/II v2.85内核OSMutexPend()和OSMutexPost()函数工作原理
文章来源:http://gliethttp.cublog.cn[转载请声明出处]
//优先级翻转问题发生在>=3个进程同时访问一个共享的情况下,
//所以至少有3个进程才有可能发生优先级翻转,即A>B>C时,B才可能将A翻转.
//μCOS/II v2.85内核采用"变相置顶的方式"来解决优先级翻转问题,
//"优先级继承方式"是指一个较高优先级的任务申请某信号量,但此信号量已被一个较低优先级的任务占有,这时,抬升较低优先级任务的优先级到较高优先级任务的优先级,这是一个自动过程.
//"置顶方式"是指一旦有进程访问互斥资源,立即把该进程的优先级提升到置顶值.
//"变相置顶的方式"是指我们根据工程应用任务需要,自己内定一个最高优先级,结合优先级继承方式,根据情况来判断当前task进程优先级是否需要抬升到置顶值.
//这个最高优先级可能不是0,比如可能是5(5空闲,不能用于创建其他任务),原因是0~4,之间的任务不会访问互斥空间,
//仅仅优先级>=6的进程才会访问互斥空间,这时5就是所谓的A,假如优先级为10的进程要访问互斥空间,
//这时因为没有任何进程访问互斥空间,所以10作为pevent->OSEventCnt的低8位值,被保存,之后持有
//互斥空间的操作权利,此时优先级为12的进程也要访问互斥空间,因为12处于C的角色,所以不会发生优先级翻转,
//12将直接被悬停在Mutexevent事件控制矩阵上,之后8打算访问互斥资源空间,
//那么,因为8处于B的角色,这时10需要提升自己到这个所谓的"顶"--优先级5,
//这样,以后所有访问互斥资源的进程都因为优先级小于5而直接悬停在Mutexevent事件控制矩阵上,
//不会出现因为6、7、8悬停在Mutexevent事件控制矩阵上,而此时9因为获得cpu执行权,
//而抢占了10的执行,进而发生优先级翻转现象.[gliethttp]
//但是如果真的0~4中的某个进程不守规矩,贸然访问了共享资源,会发生什么呢,让我们来看看:
//如2要访问资源,那么2一定是直接悬停在事件控制矩阵上,直到已经提升优先级或未提升优先级的占用互斥资源空间
//的进程退出,重新计算悬停在事件控制矩阵上的优先级最高的任务的时候,2将会被加入到就绪控制矩阵中,等待cpu
//调度,进而占用互斥资源,这好像也没有问题,那么继续进行假设,如果4优先级在操作互斥资源,此时2打算操作,
//那么2需要等待,被添加到了mutex事件控制矩阵中,这时就那么巧,3又获得了cpu的使用权,那么优先级4将被3抢占
//所以出现了优先级翻转现象--3把2给翻转了,所以对于优先级高于内定置顶值pip的进程访问互斥资源时,
//并不能受到mutex互斥保护机制的保护,所以对于这些进程,他们可能会发生优先级翻转,也可能不会.
//因此,这使我们更坚定一点,不要存在侥幸心里,踏踏实实的把pip设置成真正的"置顶"值.[gliethttp]
//----------------------------------------------------------------------
//1.OSMutexPend()函数
void OSMutexPend (OS_EVENT *pevent, INT16U timeout, INT8U *perr)
{
INT8U pip;
INT8U mprio;
BOOLEAN rdy;
OS_TCB *ptcb;
OS_EVENT *pevent2;
INT8U y;
INT8U pend_stat;
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3
OS_CPU_SR cpu_sr = 0;
#endif
#if OS_ARG_CHK_EN > 0
if (perr == (INT8U *)0) {
return;
}
if (pevent == (OS_EVENT *)0) {
*perr = OS_ERR_PEVENT_NULL;
return;
}
#endif
if (pevent->OSEventType != OS_EVENT_TYPE_MUTEX) {
//确保该event控制块是Mutex类型
*perr = OS_ERR_EVENT_TYPE;
return;
}
if (OSIntNesting > 0) {
//ISR中,不能使用OSMboxPend()
*perr = OS_ERR_PEND_ISR;
return;
}
if (OSLockNesting > 0) {
//μCOS/II v2.85内核已经被强制锁住
*perr = OS_ERR_PEND_LOCKED;
return;
}
//非法的统统不是,信号正常,所以有必要进一步处理
OS_ENTER_CRITICAL();
//在OSMutexCreate()中
//#define OS_MUTEX_AVAILABLE (INT16U)0x00FFu
//pevent->OSEventCnt = (INT16U)((INT16U)prio << 8) | OS_MUTEX_AVAILABLE;
//prio为一个空闲的优先级号,没有task使用该prio[gliethttp]
pip = (INT8U)(pevent->OSEventCnt >> 8);//变相置顶值pip
if ((INT8U)(pevent->OSEventCnt & OS_MUTEX_KEEP_LOWER_8) == OS_MUTEX_AVAILABLE) {
//当前没有其他进程使用OSMutexPend()占有共享资源,
//所以task将要成为当前唯一占用共享资源的进程,pevent->OSEventCnt的低8位存放
//当前正在使用共享资源task的prio优先级值,
//pip=pevent->OSEventCnt的高8位存放
//"变相置顶"--所谓的最高优先级值pip(访问互斥资源的所有进程的优先级都比该pip低)
//通过提升到这个所谓的顶,来解决优先级翻转问题[gliethttp]
pevent->OSEventCnt &= OS_MUTEX_KEEP_UPPER_8;
pevent->OSEventCnt |= OSTCBCur->OSTCBPrio;
pevent->OSEventPtr = (void *)OSTCBCur;
if (OSTCBCur->OSTCBPrio <= pip) {
//因为pip是置顶优先级,所以pip必须是所有能够访问互斥资源的进程中优先级最高的[gliethttp]
//如果低,那么这时mutex互斥机制失效,mutex不起作用了
OS_EXIT_CRITICAL();
*perr = OS_ERR_PIP_LOWER;
} else {
OS_EXIT_CRITICAL();
*perr = OS_ERR_NONE;
}
return;
}
//2007-09-09 gliethttp
//说明已经有一个task占用了共享资源,持有共享互斥锁Mutex了,如下做进一步处理
mprio = (INT8U)(pevent->OSEventCnt & OS_MUTEX_KEEP_LOWER_8);
ptcb = (OS_TCB *)(pevent->OSEventPtr);
//2007-09-09 gliethttp
//[注:未提升优先级之前ptcb->OSTCBPrio等于mprio,提升之后ptcb->OSTCBPrio等于pip(置顶优先级)]
//因为μCOS/II v2.85内核采用"变相置顶的方式"来解决优先级翻转问题,所以pip就是A;
//所以在工程应用上有这样一个限制,能够访问互斥空间的所有进程优先级都要低于这个pip,
//优先级高于pip的进程不能访问,互斥空间,所以这也就要求,我们指定的pip的优先级必须保证,
//大于所有能访问互斥空间的进程,[gilethttp]
//只有低于pip优先级的进程才能够受"资源互斥机制"的保护【这就是μCOS/II v2.85内核优先级翻转的局限之处】
//但是,这在实际的工程应用中是可以接受的.
//优先级A>B>C时,B可能引起优先级翻转,所以下面检测OSTCBCur->OSTCBPrio是否处于B的角色
//如果是,那么需要提升C的优先级,否则不会发生优先级翻转[gliethttp]
if (ptcb->OSTCBPrio > pip) {
//说明ptcb->OSTCBPrio还没有提升到所谓的最高优先级pip,
//否则ptcb->OSTCBPrio将等于pip[gliethttp]
//如果mprio < OSTCBCur->OSTCBPrio说明,当前持有mutex资源的task处于B的角色
if (mprio > OSTCBCur->OSTCBPrio) {
//这时OSTCBCur->OSTCBPrio处于B的角色,那么可能会发生优先级翻转,
//因为可能,所以程序肯定会照着最坏的情况考虑,使用"变相置顶的方式",提升当前持有互斥资源的task的优先级
//到达这个所谓的"顶"--pip.
y = ptcb->OSTCBY;
if ((OSRdyTbl[y] & ptcb->OSTCBBitX) != 0) {
//如果A已经在就绪控制矩阵中,那么把A从就绪控制矩阵中摘下[gliethttp]
//具体参考《浅析μCOS/II v2.85内核OSMboxPend()和OSMboxPost()函数工作原理》
OSRdyTbl[y] &= ~ptcb->OSTCBBitX;
if (OSRdyTbl[y] == 0) {
OSRdyGrp &= ~ptcb->OSTCBBitY;
}
rdy = OS_TRUE;//task处于就绪状态
} else {
pevent2 = ptcb->OSTCBEventPtr;
if (pevent2 != (OS_EVENT *)0) {
if ((pevent2->OSEventTbl[ptcb->OSTCBY] &= ~ptcb->OSTCBBitX) == 0) {
//如果A已经在事件控制矩阵中,那么把A从事件控制矩阵中摘下[gliethttp]
//具体参考《浅析μCOS/II v2.85内核OSMboxPend()和OSMboxPost()函数工作原理》
pevent2->OSEventGrp &= ~ptcb->OSTCBBitY;
}
}
rdy = OS_FALSE;//task处于事件等待状态
}
ptcb->OSTCBPrio = pip;//将task优先级置顶到pip
#if OS_LOWEST_PRIO <= 63
//对于64个tasks配置
//重新就绪控制矩阵和事件控制矩阵中使用到(x,y)值
ptcb->OSTCBY = (INT8U)( ptcb->OSTCBPrio >> 3);
ptcb->OSTCBX = (INT8U)( ptcb->OSTCBPrio & 0x07);
ptcb->OSTCBBitY = (INT8U)(1 << ptcb->OSTCBY);
ptcb->OSTCBBitX = (INT8U)(1 << ptcb->OSTCBX);
#else
//对于255个tasks配置
//重新计算就绪控制矩阵和事件控制矩阵中使用到(x,y)值
ptcb->OSTCBY = (INT8U)((ptcb->OSTCBPrio >> 4) & 0xFF);
ptcb->OSTCBX = (INT8U)( ptcb->OSTCBPrio & 0x0F);
ptcb->OSTCBBitY = (INT16U)(1 << ptcb->OSTCBY);
ptcb->OSTCBBitX = (INT16U)(1 << ptcb->OSTCBX);
#endif
if (rdy == OS_TRUE) {
//提升优先级之前该task处于就绪控制矩阵中,等待cpu调度
OSRdyGrp |= ptcb->OSTCBBitY;
OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;
} else {
//提升优先级之前该task处于事件控制矩阵中,等待事件的到来
//需要说明一点,一个task只有两种状态,
//1.要么在就绪控制矩阵中等待被cpu调度
//2.要么阻塞在事件控制矩阵中[gliethttp]
pevent2 = ptcb->OSTCBEventPtr;
if (pevent2 != (OS_EVENT *)0) {
pevent2->OSEventGrp |= ptcb->OSTCBBitY;
pevent2->OSEventTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;
}
}
OSTCBPrioTbl[pip] = ptcb;//添加新pip优先级下的TCB
}
}
OSTCBCur->OSTCBStat |= OS_STAT_MUTEX;//是Mutex事件让本task进入悬停等待的
OSTCBCur->OSTCBStatPend = OS_STAT_PEND_OK;//假定不是超时,为正常收到信号
//超时,如果timeout=0,那么,本task将一直悬停,仅仅当收到事件触发信号后才重新进入调度队列
OSTCBCur->OSTCBDly = timeout;
//OS_EventTaskWait()函数实现的功能:
//把本task从就绪控制矩阵中摘下,放到pevent事件专有的进程事件控制矩阵表中.
OS_EventTaskWait(pevent);
OS_EXIT_CRITICAL();
//因为本task正在运行,所以本task现在的优先级最高的,现在本task已经将自己从就绪控制矩阵--调度器(x,y)矩形阵列中
//把自己摘掉,所以调度函数OS_Sched()一定会切换到另一个task中执行新task的代码[gliethttp]
OS_Sched();//具体参见《浅析μC/OS-II v2.85内核调度函数》
OS_ENTER_CRITICAL();
//2007-09-09 gliethttp
//可能因为OSMutexPend()中指定的timeout已经超时
//[由OSTimeTick()函数把本task重新置入了就绪队列,具体参考《浅析μC/OS-II v2.85内核OSTimeDly()函数工作原理》],
//又或者确实在应用程序的某个地方调用了OSMutexPost(),以下代码将具体解析是有什么引起的:1.超时,2.收到正常信号
if (OSTCBCur->OSTCBStatPend != OS_STAT_PEND_OK) {
//是因为timeout超时,使得本task获得重新执行的机会
pend_stat = OSTCBCur->OSTCBStatPend;
//清除event事件块上本task的标志
OS_EventTOAbort(pevent);
OS_EXIT_CRITICAL();
switch (pend_stat) {
case OS_STAT_PEND_TO:
default:
*perr = OS_ERR_TIMEOUT;
break;
case OS_STAT_PEND_ABORT:
*perr = OS_ERR_PEND_ABORT;
break;
}
return;
}
//由OSMutexPost()抛出正常事件,唤醒了本task,因为在OSMutexPost()时,
//已经将本task在event事件控制矩阵上的对应位清除掉,并且把本task放入了就绪控制矩阵中,
//否则本task也不会执行至此.
OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0;
OS_EXIT_CRITICAL();
*perr = OS_ERR_NONE;
}
//----------------------------------------------------------------------
//2.OS_EventTaskWait()函数
void OS_EventTaskWait (OS_EVENT *pevent)
{
INT8U y;
//2007-09-09 gliethttp
//pevent为此次task挂起的EventPtr单元
OSTCBCur->OSTCBEventPtr = pevent;
//清除调度器中该task对应的标志位
y = OSTCBCur->OSTCBY;
OSRdyTbl[y] &= ~OSTCBCur->OSTCBBitX;
if (OSRdyTbl[y] == 0) {
//当前y行对应的8个或16个task都已经悬停,那么当前y行也清除.
OSRdyGrp &= ~OSTCBCur->OSTCBBitY;
}
//2007-09-09 gliethttp
//将该task的prio添加到pevent事件控制矩阵中,这个矩阵的功能和OSRdyGrp、OSRdyTbl就绪控制矩阵没有区别
//都是用来计算出已经就绪tasks中的优先级最高的那个
pevent->OSEventTbl[OSTCBCur->OSTCBY] |= OSTCBCur->OSTCBBitX;
pevent->OSEventGrp |= OSTCBCur->OSTCBBitY;
}
//----------------------------------------------------------------------
//3.OS_EventTOAbort()函数
void OS_EventTOAbort (OS_EVENT *pevent)
{
INT8U y;
//清除event事件控制矩阵上本task的标志,因为OSTimeTick()函数未清除该单元
//它仅仅把本task放入就绪控制矩阵,使得本task重新获得被OS调度的机会而已
//具体的清除工作还要自己完成
//具体参考《浅析μC/OS-II v2.85内核OSTimeDly()函数工作原理》
y = OSTCBCur->OSTCBY;
pevent->OSEventTbl[y] &= ~OSTCBCur->OSTCBBitX;
if (pevent->OSEventTbl[y] == 0x00) {
pevent->OSEventGrp &= ~OSTCBCur->OSTCBBitY;
}
OSTCBCur->OSTCBStatPend = OS_STAT_PEND_OK;
OSTCBCur->OSTCBStat = OS_STAT_RDY;
OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0;//现在本task不悬停在任何event事件上
}
//----------------------------------------------------------------------
//4.OSMutexPost()函数
INT8U OSMutexPost (OS_EVENT *pevent)
{
INT8U pip;
INT8U prio;
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3
OS_CPU_SR cpu_sr = 0;//方式3将把cpsr状态寄存器推入临时堆栈cpu_sr中,可以安全返回之前的中断状态
#endif
if (OSIntNesting > 0) {
return (OS_ERR_POST_ISR);
}
#if OS_ARG_CHK_EN > 0
if (pevent == (OS_EVENT *)0) {
return (OS_ERR_PEVENT_NULL);
}
#endif
if (pevent->OSEventType != OS_EVENT_TYPE_MUTEX) {
return (OS_ERR_EVENT_TYPE);
}
OS_ENTER_CRITICAL();
pip = (INT8U)(pevent->OSEventCnt >> 8);//变相置顶值pip
prio = (INT8U)(pevent->OSEventCnt & OS_MUTEX_KEEP_LOWER_8);//持有mutex资源的task原始优先级
if (OSTCBCur != (OS_TCB *)pevent->OSEventPtr) {
//因为解决了局部优先级翻转问题,所以OSTCBCur肯定要等于pevent->OSEventPtr
//否则发生了不知名的异常
OS_EXIT_CRITICAL();
return (OS_ERR_NOT_MUTEX_OWNER);
}
if (OSTCBCur->OSTCBPrio == pip) {
//task被提升了优先级到pip置顶值,也就是一个比该task优先级高
//比pip低的进程需要访问互斥资源,即:存在B角色进程,
//那么使用OSMutex_RdyAtPrio()把本task从就绪控制矩阵中摘下来
//同时将自己还原到prio优先级
OSMutex_RdyAtPrio(OSTCBCur, prio);
}
OSTCBPrioTbl[pip] = OS_TCB_RESERVED;
if (pevent->OSEventGrp != 0) {
//2007-09-09 gliethttp
//OS_EventTaskRdy()函数将摘掉等待在pevent事件控制矩阵上的task中优先级最高的task
//如果该task仅仅等待该pevent事件,那么将该task添加到就绪控制矩阵中
//OSRdyGrp |= bity;
//OSRdyTbl[y] |= bitx;这样调度程序就会根据情况调度OS_Sched()该task了
prio = OS_EventTaskRdy(pevent, (void *)0, OS_STAT_MUTEX, OS_STAT_PEND_OK);
//保持处于高8位的pip置顶优先级值
//同时清除低8位数据
pevent->OSEventCnt &= OS_MUTEX_KEEP_UPPER_8;
pevent->OSEventCnt |= prio;//获得执行权的task充当优先级翻转计算中的C角色
pevent->OSEventPtr = OSTCBPrioTbl[prio];//task的控制块传给OSEventPtr指针,供优先级翻转计算使用
if (prio <= pip) {
//2007-09-09 gliethttp
//prio比pip小,那么说明比置顶值pip优先级还要高的进程竟然访问了共享资源,
//那么这时可能会出现优先级翻转,因为这时mutex机制已经不起作用,
//所以应该保证"变相置顶的方式"初始化时,自己内定的最高优先级pip务必大于所有能访问互斥资源的进程优先级[gliethttp]
OS_EXIT_CRITICAL();
OS_Sched();//具体参见《浅析μC/OS-II v2.85内核调度函数》
return (OS_ERR_PIP_LOWER);
} else {
OS_EXIT_CRITICAL();
OS_Sched();//具体参见《浅析μC/OS-II v2.85内核调度函数》
return (OS_ERR_NONE);
}
}
//没有任何一个task悬停在本event事件控制矩阵上[gliethttp]
pevent->OSEventCnt |= OS_MUTEX_AVAILABLE;//还原为初始值
pevent->OSEventPtr = (void *)0;//现在本task不悬停在任何event事件上
OS_EXIT_CRITICAL();
return (OS_ERR_NONE);
}
//----------------------------------------------------------------------
//5.OS_EventTaskRdy()函数
INT8U OS_EventTaskRdy (OS_EVENT *pevent, void *pmsg, INT8U msk, INT8U pend_stat)
{
OS_TCB *ptcb;
INT8U x;
INT8U y;
INT8U prio;
#if OS_LOWEST_PRIO <= 63
INT8U bitx;
INT8U bity;
#else
INT16U bitx;
INT16U bity;
INT16U *ptbl;
#endif
#if OS_LOWEST_PRIO <= 63
//小于64个task时,快速计算
//最有优先权的task位于事件控制矩阵中的第y行的第x列
y = OSUnMapTbl[pevent->OSEventGrp];
bity = (INT8U)(1 << y);
x = OSUnMapTbl[pevent->OSEventTbl[y]];
bitx = (INT8U)(1 << x);
prio = (INT8U)((y << 3) + x);
#else
//对于256个task
//最有优先权的task位于事件控制矩阵中的第y行的第x列
//以下的操作原理具体参见《浅析μC/OS-II v2.85内核调度函数》
if ((pevent->OSEventGrp & 0xFF) != 0) {
y = OSUnMapTbl[pevent->OSEventGrp & 0xFF];
} else {
y = OSUnMapTbl[(pevent->OSEventGrp >> 8) & 0xFF] + 8;
}
bity = (INT16U)(1 << y);
ptbl = &pevent->OSEventTbl[y];
if ((*ptbl & 0xFF) != 0) {
x = OSUnMapTbl[*ptbl & 0xFF];
} else {
x = OSUnMapTbl[(*ptbl >> 8) & 0xFF] + 8;
}
bitx = (INT16U)(1 << x);
prio = (INT8U)((y << 4) + x);//该task对应的prio优先级值
//ok,等待在event事件上的所有task中,只有在事件控制矩阵中的第y行的第x列task
//优先级最高、最值的成为此次事件的唤醒对象[gliethttp]
#endif
//清除此task在event事件控制矩阵中的bit位
pevent->OSEventTbl[y] &= ~bitx;
if (pevent->OSEventTbl[y] == 0) {
pevent->OSEventGrp &= ~bity;
}
//通过prio优先级找到该prio唯一对应的task对应的ptcb进程上下文控制块
ptcb = OSTCBPrioTbl[prio];
ptcb->OSTCBDly = 0;//复原为正常
ptcb->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT *)0;//现在本task不悬停在任何event事件上
#if ((OS_Q_EN > 0) && (OS_MAX_QS > 0)) || (OS_MBOX_EN > 0)
ptcb->OSTCBMsg = pmsg;//传递消息指针
#else
pmsg = pmsg;
#endif
ptcb->OSTCBStatPend = pend_stat;//悬停状态值
ptcb->OSTCBStat &= ~msk;//该msk事件已经发生,清除task上下文控制块上的msk位,如:OS_STAT_MUTEX
if (ptcb->OSTCBStat == OS_STAT_RDY) {
//如果当前task只是等待该事件,那么把该task放到就绪控制矩阵中,允许内核调度本task
OSRdyGrp |= bity;
OSRdyTbl[y] |= bitx;
}
return (prio);//返回本task对应的优先级值
}
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PS:"所以从这里来看,os中的各个功能单元管理着自己的事情,就像面向对象的封装一样,"
"事件控制矩阵和就绪控制矩阵是各个对象独立自治的关键因素"
"其他对象,都努力说服自己相信别的对象是独立的、可信任的、安全的"[gliethttp]
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