uClinux進程調度器的實現分析

　分享到：標簽：uClinux 調度策略 進程調度器
　　摘要：針對操作系統中進程的調度機制，依次對其調度方式、調度策略、調度時機進行了分析，并結合uClinux中進程調度實現的核心源代碼，剖析了uClinux中進程調度器的實現原理，展示了uClinux中獨具特色的進程調度機制。
　　關鍵詞：uClinux；調度策略；進程調度器
　　0. 引言
　　uClinux是針對控制領域的嵌入式Linux操作系統，它從Linux 2.0/2.4內核派生而來，沿襲了Linux的絕大部分特性，適合不具備內存管理單元（MMU）的微處理器或微控制器，現已經廣泛應用于各種不同的微處理器平臺上。因此，對uClinux操作系統核心模塊的設計進行分析對于應用系統設計具有重要的現實意義。uClinux作為支持多任務的操作系統，進程調度是其重要的組成部分，本文就uClinux進程調度器的設計實現進行分析。重點討論了uClinux的進程調度機制，主要包括調度方式、調度策略、調度時機、調度算法這四個方面。
　　1. uClinux進程的調度方式［1］
　　uClinux中每個進程的task_struct結構中有四項：policy、priority、counter、rt_priority，
　　它們是調度程序運行時在所有可運行狀態的進程中選擇調度的依據。其中，policy是進程調度策略，用來區分實時進程和非實時進程；priority是進程（包括實時進程和非實時進程）的靜態優先級；counter是進程剩余的時間片，它的起始值就是priority的值，另外counter還以看作是進程的動態優先級，用于計算處于可運行狀態的進程值得運行的程度goodness；rt_priority是實時進程特有的，用于實時進程間的選擇。［1］
　　其進程調度過程可簡要概述如下：首先，uClinux根據policy從整體上區分實時進程和非實時進程，其中，實時進程先于非實時進程運行，對于同一類型的不同進程，采用不同的標準來選擇，對于非實時進程，uClinux根據進程counter的大小采用動態優先調度；對于實時進程，uClinux采用先來先服務調度（FIFO）和時間片輪轉調度（RR）兩種調度方法。
　　2. uClinux進程的調度策略
　　在uClinux操作系統中，進程的調度策略是由task_struct結構成員policy所選擇的，它的值為下述三種之一，即SCHED_FIFO（先來先服務調度），SCHED_RR（時間片輪轉調度）
　　和SCHED_OTHER（非實時調度）。
　　SCHED_FIFO遵循POSIX1.b標準的調度規則：CPU一直運行，直到有一個進程因I/O阻塞，或者主動釋放CPU，或者是CPU被另一個更高rt_priority的實時進程搶占，進程只有當時間片用完時才能被迫釋放CPU。
　　SCHED_RR也遵循POSIX1.b標準的調度規則：與SCHED_FIFO類似，當進程的時間片用完后，調度程序就將其加到SCHED_RR隊列的末尾。對于該調度策略只要系統中有一個實時進程在運行，則任何SCHED_OTHER進程都不能在任何CPU上運行。一個進程從創建到任務完成后終止，可能需要經歷多次反饋循環。
　　SCHED_OTHER是傳統的unix調度策略，適合于交互式的分時進程。這類非實時進程的優先權取決于兩個因素：一個因素是進程剩余時間配額，如果進程用完了配給的時間，則相應優先權為0；如果進程未用完時間片，則剩余時間參與其動態優先級的計算。另一個因素是進程的優先數nice，即優先數越小，優先級越高。
　　如果系統中有實時進程處于就緒狀態，則非實時進程就不能被調度運行，直至所有實時進程都完成了，非實時進程才有機會占用CPU。
　　3. uClinux進程的調度時機
　　通過分析進程調度器的源代碼，可以發現uCLinux以五種方式轉入到schedule（）處理函數進行進程調度［2］。
　?。?） 進程狀態轉換時。當進程要調用sleep（ ）或pause（ ）等函數使進程狀態發生改變時，這些函數會主動調用schedule（）轉入進程調度。
　?。?） 進程終止時，永久放棄對CPU的使用。
　?。?） 通過時鐘中斷。uClinux初始化時，設定系統定時器的周期為10ms。當時鐘中斷發生時，時鐘中斷服務程序timer_interrupt立即調用時鐘處理函數do_timer（ ），該函數會調用mark_bh，將bh_active標志的TIMER_BH置1，接著uClinux會在時鐘中斷服務程序中通過代碼片段
　　If（ bh_active & bh_mask）
　　{ intr_count =1；
　　do_bottom_half（）；
　　intr_count = 0；
　　}
　　來判斷此時是否有bottom_half服務要處理，若有則執行do_bottom_half（）。該函數
　　會調用時鐘響應函數timer_bh（ ），分別由updates_times（ ）、run_old_timers（ ）和run_timer_list（ ）檢查、執行調用服務。Update_times（ ）又調用update_process_times（ ）函數調整進程的時間片，當時間片小于0時，need_resched（ 需要重調度）標志會被置位。當時鐘中斷處理完畢后，系統會返回到入口ret_from_intr，ret_with_reschedule處，判斷need_resched 標志是否置位，若是則轉入執行schedule（ ）。