减少RTOS中的任务切换

　　任务切换是多任务处理的全部内容。然而，由于以下原因，太多可能会破坏：

　　它增加了 RTOS 开销

　　它增加了功耗

　　它降低了响应能力，尤其是低优先级任务

　　它增加了调试的复杂性

　　它可能会导致错误

　　它可以抑制未来的扩张

　　因为一个好的 RTOS 在低端 50 MHz Cortex-M3 上每秒可以实现大约 50，000 次任务切换，所以第一个问题对于大多数系统来说可能并不重要。然而，对于电池供电的设备，即使是很小的效率改进也很重要。设备用户可能会注意到低优先级人机界面任务的响应速度降低。不必要的任务切换会混淆已经很复杂的调试过程，因此如果没有其他原因的话，也是不可取的。

　　第五个原因尤为重要。如果您没有意识到可能会发生任务切换，那么事情可能不会总是按照预期的顺序发生。这可能会导致难以找到的零星错误。最后，随着新功能的添加，空闲时间可能会变得很宝贵，尤其是在处理器性能刚开始的时候。有充分的理由减少过多的任务切换。让我们看几个。

　　优先提升

　　一种流行的方法是在选择运行时自动提高任务的优先级。这在以下示例中显示：

　　void sys_init（void） {

　　TCB_PTR t2a; // task a of priority 2

　　t2a = smx_TaskCreate（t2a_main， PRI_2， 500， SMX_FL_NONE， “t2a”）;

　　smx_TaskHook（t2a， t2a_entry， t2a_exit）;

　　smx_TaskStart（t2a）;

　　}

　　void t2a_entry（void） {

　　smx_TaskBump（self， 3）;

　　}

　　void t2a_exit（void） {

　　smx_TaskBump（self， 2）;

　　}

　　void t2a_main（void） {

　　while （1） {

　　// perform t2a function at priority 3

　　}

　　}

　　在此示例中，t2a_enter（） 由调度程序透明地调用，在 t2a 恢复之前，并且 t2a_exit（） 在 t2a 暂停之后类似地调用。t2a_enter（） 将 t2a 移动到就绪队列级别 3 的前面并将其优先级提高到 3。t2a_exit（） 将 t2a 移动到就绪队列级别 2 的末尾并将其优先级降低到 2。因此，t2a 不能被 a 抢占运行时的优先级 3 任务。但是具有更高优先级的任务可以抢占 t2a。在这种情况下，t2a 将回到优先级 2，从而允许任何等待优先级 3 的任务接下来运行。

　　这种方法很有吸引力，因为一旦 t2a 开始运行，就应该允许它结束。但是，您可能想知道为什么不将 t2a 列为优先级 3 的任务。优先级提升的优点是所有优先级为 3 的任务将在 t2a 允许开始之前运行。然后它成为其中之一。这在三种情况下是有意义的：

　　t2a 是一个简短的任务

　　t2a 是一个重型切换器

　　t2a 是超级用户

　　如果 t2a 是一项很长的任务，那么将其提升到优先级 3 并不是一个好主意，因为它会影响真正的优先级 3 任务的响应能力。所以，t2a 应该很短。

　　重型切换器的一个例子是浮点任务，与定点任务相比，它必须保存和恢复额外的 32 个寄存器。另一个例子是通过缓存从慢速内存执行的任务。然后，由于新任务使用不同的代码和变量，重度切换表现为缓存未命中和重新加载。即使在缓存环境中，提升的任务也应该很短。

　　如果 t2a 以比其他任务更高的功率级别运行（例如，它在运行时打开外围设备），则显然将其运行时间最小化是有益的，假设节能很重要。这是优先级提升的一个很好的用途。

　　除了优先级反转之外，优先级提升的另一个缺点是它增加了使用它的任务的切换开销。对于上面的示例，任务切换从每秒 50，000 次下降到 26，000 次，这不是问题。

　　任务锁定

　　任务锁定是防止不必要的任务切换的另一种方法。以下示例说明了这一点：

　　TCB_PTR t2a， t3a; // tasks

　　SCB_PTR sa; // semaphore

　　void t3a-main（void） {

　　smx_SemTest（sa）;

　　// do something

　　}

　　void t2a-main（void） {

　　smx_SemSignal（sa）;

　　}

　　这个例子除了说明隐藏的任务切换之外没有任何用处。由于 t3a 具有更高的优先级，它首先运行，然后等待信号量，sa。然后 t2a 运行并向 sa 发出信号。t2a 并没有像预期的那样停止，而是立即被 t3a 抢占，它做某事，然后停止。然后，t2a 再次运行，除了停止之外什么都不做。您现在可以看到这是一个浪费的任务切换。可以而且应该通过以下方式加以预防：

　　void t2a-main（void） {

　　smx_TaskLock（）;

　　smx_SemSignal（sa）;

　　}

　　现在，在 t2a 停止并释放其锁定之前，t3a 无法抢占。请注意，这实际上是调度程序锁定，但我更喜欢称它为任务锁定，因为这更能描述它的作用。

　　更少的优先级

　　如果你发现你的系统做了太多的任务切换，最好简单地减少优先级的数量。为此，您显然需要一个允许任务共享优先级的 RTOS。假设您有这样的 RTOS，下一步是重新考虑相关的任务优先级。

　　当一项任务一直在等待时，它的紧迫性就会增加。降低优先级意味着可能已经抢占它的任务，从而使其等待更长时间，现在将在它之后运行。较低的优先级实际上可以实现更流畅的操作，以及减少不必要的任务切换。

　　试图过度控制活动而不是让它们自然发生是一种常见的冲动。不太有力的控制可能更能适应不可预见的情况，因此可能会产生更坚固的解决方案。值得一试。

　　循环调度

　　在降低优先级的过程中，引入相同优先级的任务的循环调度可能会有所帮助。这可以按如下方式完成：

　　void t2a_main（void） {

　　while （smx_TestSem（sa）） {

　　// do function a

　　smx_TaskBump（self， NO_PRI_CHG）;

　　}

　　}

　　void t2b_main（void） {

　　while （smx_TestSem（sb）） {

　　// do function b

　　smx_TaskBump（self， NO_PRI_CHG）;

　　}

　　}

　　当每个任务完成一些工作时，它会将自己撞到就绪队列级别 2 的末尾，以便其他任务可以运行，如果它有工作的话。如果两个任务都没有工作，则两者都将在各自的信号量上挂起，并且可以运行优先级较低的任务。当然，更高优先级的任务可以随时抢占 t2a 和 t2b。在这个例子中，这两个任务可能大部分时间都在等待工作。但是当他们的工作量增加时，他们会交替工作，从而公平地关注所有客户。

　　不可抢占的任务

　　通常一次性任务（没有像普通任务那样的内部循环）非常短，使它们不可抢占是有意义的，如下所示：

　　TCB_PTR t2a;

　　t2a = smx_TaskCreate（t2a_main， PRI_2， 0， SMX_FL_LOCK， “t2a”）;

　　smx_TaskStart（t2a）;

　　void t2a_main（void） {

　　// do something simple and stop

　　}

　　因为 t2a 是在创建时设置了它的 start-locked 标志，所以它在开始运行时将被锁定，因此在它停止或自行解锁之前是不可抢占的。这类任务非常适合更改关键控制结构之类的事情，因此您不希望它们被抢占。如果这样的任务要等待某个东西，它就会失去它的锁，从而变成可抢占的。

　　在许多情况下，优先级提升对于提高系统性能很有用。然而，更简单的方法，如任务锁定、降低优先级、循环调度和使用非抢占式任务在某些情况下也很有效。

　　审核编辑：郭婷