uC/OS中锁调度器为什么比关中断效率更高

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1. 背景

今天看《μC/OS-III源码分析笔记》的时候学习了通过使用锁调度器代替关中断，并使用中断延迟提交，能够大大节省关中断的时间，提高运行效率。但是效率具体是如何提高的，书中的说明我没有太看明白，于是我就把书中提到的函数的源代码找出来分析了一下，希望能够理解锁调度器和关中断两者之间的区别。uC/OS完整源代码可以从官网和我的Github上下载。

2. 优化原因

使用关中断进入临界区以后，系统不会响应中断请求，如果临界区里需要做一些如I/O、与外设交互等需要进入较长时间的等待状态的任务，此时CPU就处于忙等状态，不能够响应中断去运行中断处理程序，这就降低了系统的运行效率。

锁调度器的方式可以保证当前运行的任务不会被其他任务抢占，使任务进入了临界区。

但是锁住调度器之后还可以响应中断，减少了关中断的时间，使得CPU不会长时间处于忙等状态，提高了系统的实时性和运行效率。

3. 关中断和锁调度器

3.1. 概念

  • 中断：中断机制是处理器的重要基础设施，用来应对各种事件的响应和处理。当外设或者处理器自身有事件发生时，处理器会暂停执行当前的代码，并转向处理这些中断事务。中断可分为外部中断、内部中断和软件中断1。

  • 抢占：通过调度器实现，抢占的发生可能是因为有更高优先级的任务进入就绪队列（优先级抢占机制）或该任务的时间片已结束（时间片轮转机制）。抢占可分为用户抢占和内核抢占。

  • 关中断：进入临界段，禁止其他中断操作，关中断以后产生的中断请求会被挂起，等待开中断以后再响应。

  • 开中断：退出临界段，允许中断操作。

  • 锁调度器：锁住调度器(Lock the scheduler)，不允许其他任务抢占当前任务。

  • 开启调度器：解锁调度器(Unlock the scheduler)，允许其他任务抢占当前任务。

  • RTOS：实时操作系统（Real Time Operating System）。

  • ISR：中断服务程序（Interrupt Service Routine）。在CPU保护中断现场之后，RTOS进入，进行中断预处理，记录当前中断嵌套深度，查找用户登记的中断服务程序，然后CPU开始执行中断服务程序1。

3.2. 源代码

3.2.1. 开/关中断

这里有两种方式通过关中断进入临界段

  • CPU_INT_DIS()
  • CPU_CRITICAL_ENTER()

若CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN标记为False，两个函数完全一致，后者只是将前者封装了一下。

若CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN标记为True，CPU_CRITICAL_ENTER()会记录关中断的时间。


#define CPU_INT_DIS() do { CPU_IntDis(); } while (0)
/* Disable interrupts. */
#define CPU_INT_EN() do { CPU_IntEn(); } while (0)
/* Enable interrupts.*/

#ifdef CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN
/* Disable interrupts, ... */
/* & start interrupts disabled time measurement.*/
#define CPU_CRITICAL_ENTER() do { CPU_INT_DIS(); \ CPU_IntDisMeasStart(); } while (0)
/* Stop & measure interrupts disabled time, */
/* ... & re-enable interrupts. */
#define CPU_CRITICAL_EXIT() do { CPU_IntDisMeasStop(); \ CPU_INT_EN(); } while (0)
/* -------------------------------------------- */
#else

#define CPU_CRITICAL_ENTER() do { CPU_INT_DIS(); } while (0)
/* Disable interrupts.*/
#define CPU_CRITICAL_EXIT() do { CPU_INT_EN(); } while (0)
/* Re-enable interrupts.*/
#endif

3.2.2. 锁调度器

  • OS_CFG_ISR_POST_DEFERRED_EN：标记是否使用中断延迟提交 
// os_cfg.h
#define OS_CFG_ISR_POST_DEFERRED_EN 0u
/* Enable (1) or Disable (0) Deferred ISR posts*/

这里有两种方式进入临界段

  1. 调用OS_CRITICAL_ENTER()锁调度器。
  2. 先调用CPU_CRITICAL_ENTER()关中断，再调用OS_CRITICAL_ENTER_CPU_EXIT()锁调度器并开中断。

  • 若OS_CFG_ISR_POST_DEFERRED_EN标记为False，OS_CRITICAL_ENTER()实现的是关中断，OS_CRITICAL_ENTER_CPU_EXIT()是一个空函数。

  • 若CPU_CFG_INT_DIS_MEAS_EN标记为True，这里的两个函数都能实现锁调度器的功能。


// os.h
#if (OS_CFG_ISR_POST_DEFERRED_EN == DEF_ENABLED)
/* Deferred ISR Posts */
/* Lock the scheduler*/
#define OS_CRITICAL_ENTER() \ do { \ CPU_CRITICAL_ENTER(); \ OSSchedLockNestingCtr++; \ if (OSSchedLockNestingCtr == 1u) { \ OS_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_START(); \ } \ CPU_CRITICAL_EXIT(); \ } while (0)
/* Lock the scheduler but re-enable interrupts */
#define OS_CRITICAL_ENTER_CPU_EXIT() \ do { \ OSSchedLockNestingCtr++; \ \ if (OSSchedLockNestingCtr == 1u) { \ OS_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_START(); \ } \ CPU_CRITICAL_EXIT(); \ } while (0)

/* Scheduling occurs only if an interrupt occurs*/
#define OS_CRITICAL_EXIT() \ do { \ CPU_CRITICAL_ENTER(); \ OSSchedLockNestingCtr--; \ if (OSSchedLockNestingCtr == (OS_NESTING_CTR)0) { \ OS_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_STOP(); \ if (OSIntQNbrEntries > (OS_OBJ_QTY)0) { \ CPU_CRITICAL_EXIT(); \ OS_Sched0(); \ } else { \ CPU_CRITICAL_EXIT(); \ } \ } else { \ CPU_CRITICAL_EXIT(); \ } \ } while (0)

#define OS_CRITICAL_EXIT_NO_SCHED() \ do { \ CPU_CRITICAL_ENTER(); \ OSSchedLockNestingCtr--; \ if (OSSchedLockNestingCtr == (OS_NESTING_CTR)0) { \ OS_SCHED_LOCK_TIME_MEAS_STOP(); \ } \ CPU_CRITICAL_EXIT(); \ } while (0)

#else
/* Direct ISR Posts */

#define OS_CRITICAL_ENTER() CPU_CRITICAL_ENTER()

#define OS_CRITICAL_ENTER_CPU_EXIT()

#define OS_CRITICAL_EXIT() CPU_CRITICAL_EXIT()

#define OS_CRITICAL_EXIT_NO_SCHED() CPU_CRITICAL_EXIT()

#endif

4. 参考文献

[1] 刘旭明. 嵌入式实时操作系统原理与最佳实践. 机械工业出版社, 2014.

联系邮箱：curren_wong@163.com

Github：https://github.com/CurrenWong

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