μC/OS-II軟件定時器管理算法分析及改進
1、概述
軟件定時器是一種軟件措施，通過它可以使一項特定的任務(wù)在給定的時間段后被執(zhí)行。軟件定時器廣泛地應(yīng)用于內(nèi)核設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計中，例如，一個進程使用軟件定時器等待其他的進程完成特定的動作,以使任務(wù)間的操作同步等，因此，對軟件定時器的高效實現(xiàn)對提升系統(tǒng)的響應(yīng)效率是至關(guān)重要的。
作為一種基礎(chǔ)的軟件措施，μC/OS-II[1]的 V2.86版本中增加了對軟件定時器的支持。使用μC/OS-II提供的軟件定時器，應(yīng)用程序可以方便地完成特定的定時任務(wù)。本文對μC/OS-II的軟件定時器的實現(xiàn)機制進行簡要分析，然后提出了對μC/OS-II的軟件定時器的實現(xiàn)進行改進的方法。
2、μC/OS-II軟件定時器的實現(xiàn)機制及算法分析
2.1 μC/OS-II軟件定時器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
μC/OS-II實現(xiàn)軟件定時器的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 OS_TMR，其定義如下：
typedef struct os_tmr {
INT8U OSTmrType; /*應(yīng)該設(shè)置為OS_TMR_TYPE*/
OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定時間到達時要執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)*/
void *OSTmrCallbackArg; /*傳遞給回調(diào)函數(shù)的參數(shù)*/
void *OSTmrNext; /*軟件定時器鏈表管理指針*/
void *OSTmrPrev;
INT32U OSTmrMatch; /*當(dāng)OSTmrTime == OSTmrMatch 時表示定時器時間到*/
INT32U OSTmrDly; /*對于周期性定時器，再次啟動定時器前的延時時間*/
INT32U OSTmrPeriod; /*對于周期性定時器，時鐘周期的長度*/
INT8U OSTmrOpt; /*選項 (如 OS_TMR_OPT_xxx 等) */
INT8U OSTmrState; /*定時器的狀態(tài)*/
} OS_TMR;
每個 OS_TMR結(jié)構(gòu)的實例定義了一個軟件定時器，多個軟件定時器通過結(jié)構(gòu)中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev構(gòu)成一個定時器雙向鏈表。
為了提高對軟件定時器的管理效率，μC/OS-II引入了“定時器輪”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂定時器輪，是將定時器實例中的 OSTmrMatch域的值參照某一個預(yù)先設(shè)計的數(shù)（稱為輪數(shù)）進行求余運算，并根據(jù)求余結(jié)果將定時器進行分組以改善對到期定時器的命中率。定時器輪數(shù)缺省配置如下:
typedef struct os_tmr_wheel {
OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定時器的指針*/
INT16U OSTmrEntries; /*該定時器輪中的定時器項數(shù)*/
} OS_TMR_WHEEL;
缺省配置下，μC/OS-II 定義的輪數(shù)為8，因此，μC/OS-II 的定時器輪為如下的一個數(shù)組：
OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl[8];
例如，在某一個特定的時刻,此處假設(shè)時刻5，系統(tǒng)中有定時時間為2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的軟件定時器，那么，這些定時器將在時鐘滴答分別為7、9、10、37、166、362時到期，則此時系統(tǒng)的定時器輪的實例如圖 1所示：
2.2 μC/OS-II軟件定時器的處理算法分析
μC/OS-II對定時器的超時處理在一個稱為“uC/OS-II Tmr”的任務(wù)中進行,該任務(wù)是通過信號量 OSTmrSemSignal來激活。基于以上定義的定時器輪，μC/OS-II對定時器的處理算法如下：
static void OSTmr_Task (void *p_arg)
{
for(;;)
{
等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；
STmrTime = OSTmrTime+1，并對8 求余后得到對應(yīng)的定時器輪項索引index;
for OSTmrWheelTbl[index]定時器輪中的每一個定時器ptmr，do
{
if (OSTmrTime == ptmr->OSTmrMatch) {
執(zhí)行ptmr 軟件定時器中的回調(diào)函數(shù)；
對于單次定時器，從定時器輪中刪除該時鐘；
對于周期性定時器，則重置該定時器的OSTmrMatch 值；
}
}
釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；
}
}
2.3 μC/OS-II的定時器處理算法的效率分析 采用上面的例子，對μC/OS-II的定時器處理算法效率進行一個簡單的分析：在下一次時鐘滴答，也就是時鐘滴答 6時，沒有定時器到期，而 for循環(huán)必須對每個時鐘進行檢查，類似的情況還發(fā)生在自時鐘到達 10以后的多個檢查中。根據(jù)系統(tǒng)中的定時器的數(shù)量，這種無謂的檢查將占用大量的 CPU時間。
3、對μC/OS-II的定時器管理算法的改進
3.1 改進以后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計
對μC/OS-II的定時器管理算法進行改進的主要目標(biāo)是：要么不對定時器進行檢查，要檢查則一定有定時器到期[2]。為了達到這個設(shè)計目標(biāo)，需要對μC/OS-II的定時器輪進行重新設(shè)計。采用同樣的 OS_TMR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和 OS_TMR_WHEEL定時器輪結(jié)構(gòu)，但是，對定時器輪的每一個項的功能進行重新規(guī)劃：
（1）定時器輪的第 1項到第 7項，即 OSTmrWheelTbl[1]到 OSTmrWheelTbl[7]的定時器輪，分別表示將在此后的第 1個時鐘滴答到第 7個時鐘滴答將到期的定時器項，此時，每個定時器結(jié)構(gòu)的 OSTmrMatch中的值表示需要經(jīng)過多少個時鐘滴答該定時器項將到期。在同一個定時器輪中的多個定時器項通過 OSTmrNext和 OSTmrPrev指針構(gòu)成雙向鏈表。
（2）定時器輪的第 0項，表示將至少需要經(jīng)過 8個時鐘滴答才到期的定時器，并通過
OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時器構(gòu)成雙向鏈表。 針對上面的同一個例子，按照此規(guī)劃形成的新的定時器輪如圖 2所示：
3.2 改進的處理算法
對定時器的超時處理仍然在“uC/OS-II Tmr”任務(wù)中進行,該任務(wù)還是通過信號量OSTmrSemSignal來激活，因此，對于基于該接口調(diào)用的應(yīng)用程序可以不做任何修改即可正常運行?；谛乱?guī)劃的定時器輪，對定時器的處理算法如下：
static void OSTmr_Task (void *p_arg)
{
STmrTime = 0；
for(;;)
{
等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；
STmrTime = OSTmrTime+1；
if (OSTmrTime < 8)
{
for OSTmrWheelTbl[OSTmrTime]定時器輪中的每一個定時器ptmr，do
{
執(zhí)行ptmr 軟件定時器中的回調(diào)函數(shù)；
對于單次定時器，從定時器輪中刪除該定時器；
對于周期性定時器，則重置該定時器的OSTmrMatch 值；
}
}
else // STmrTime == 8
{
for OSTmrWheelTbl[0]定時器輪中的每一個定時器ptmr，do
{
ptmr->OSTmrMatch = ptmr->OSTmrMatch – 8;//已經(jīng)經(jīng)過了8 個時鐘滴答；
if (ptmr->OSTmrMatch == 0) //到期定時值正好是8 的倍數(shù)
{
執(zhí)行ptmr 軟件定時器中的回調(diào)函數(shù)；
對于單次時鐘，從定時器輪中刪除該定時器；
對于周期性時鐘重置該定時器的OSTmrMatch 值；
continue;
}
if (ptmr->OSTmrMatch < 8) //少于8 個ticks 將到期的定時器
{
根據(jù)ptmr->OSTmrMatch 的值將ptmr 插入到相應(yīng)的OSTmrWheelTbl
定時器輪中；
}
}
STmrTime = 0； //重新計數(shù)滴答；
}
釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權(quán)；
}
}
3.3改進的處理算法的效率分析
通過對改進以后的算法進行分析可以發(fā)現(xiàn)：在每一個時鐘滴答，如果對應(yīng)的定時器輪的OSTmrFirst指針不為NULL，則在該時鐘滴答有到期的定時器，需要調(diào)用對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。通過對定時器輪進行重新規(guī)劃，避免了不必要的定時器到期檢查，從而可節(jié)省 CPU時間，提高了運行效率。
4、結(jié)束語
針對本文提出的改進算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開發(fā)板 [3][4]上對改進以后的處理算法進行了測試，測試中建立了 1000個軟件定時器，在其他負(fù)載相同的情況下，通過μC/OS-II的統(tǒng)計任務(wù)對 CPU的使用率進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn) CPU的負(fù)載率降低了約9%。
本文創(chuàng)新點：對μC/OS-II的定時器輪進行了重新規(guī)劃，使得在每個時鐘滴答對軟件定時器進行處理時有效提高了到期定時器的命中率，進而降低了 CPU的負(fù)載率。
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