降低了CPU负载率的μC/OS-II定时器有效改进方法

1、概述

软件定时器是一种软件措施，通过它可以使一项特定的任务在给定的时间段后被执行。软件定时器广泛地应用于内核设计和应用程序设计中，例如，一个进程使用软件定时器等待其他的进程完成特定的动作，以使任务间的操作同步等，因此，对软件定时器的高效实现对提升系统的响应效率是至关重要的。

作为一种基础的软件措施，μC/OS-II［1］的 V2.86版本中增加了对软件定时器的支持。使用μC/OS-II提供的软件定时器，应用程序可以方便地完成特定的定时任务。本文对μC/OS-II的软件定时器的实现机制进行简要分析，然后提出了对μC/OS-II的软件定时器的实现进行改进的方法。

2、μC/OS-II软件定时器的实现机制及算法分析

2.1 μC/OS-II软件定时器的核心数据结构

μC/OS-II实现软件定时器的核心数据结构是 OS_TMR，其定义如下：

typedef struct os_tmr {

INT8U OSTmrType; /*应该设置为OS_TMR_TYPE*/

OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定时间到达时要执行的回调函数*/

void *OSTmrCallbackArg; /*传递给回调函数的参数*/

void *OSTmrNext; /*软件定时器链表管理指针*/

void *OSTmrPrev;

INT32U OSTmrMatch; /*当OSTmrTime == OSTmrMatch 时表示定时器时间到*/

INT32U OSTmrDly; /*对于周期性定时器，再次启动定时器前的延时时间*/

INT32U OSTmrPeriod; /*对于周期性定时器，时钟周期的长度*/

INT8U OSTmrOpt; /*选项 （如 OS_TMR_OPT_xxx 等） */

INT8U OSTmrState; /*定时器的状态*/

} OS_TMR;

每个 OS_TMR结构的实例定义了一个软件定时器，多个软件定时器通过结构中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev构成一个定时器双向链表。

为了提高对软件定时器的管理效率，μC/OS-II引入了“定时器轮”数据结构，所谓定时器轮，是将定时器实例中的 OSTmrMatch域的值参照某一个预先设计的数（称为轮数）进行求余运算，并根据求余结果将定时器进行分组以改善对到期定时器的命中率。定时器轮数缺省配置如下：

typedef struct os_tmr_wheel {

OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定时器的指针*/

INT16U OSTmrEntries; /*该定时器轮中的定时器项数*/

} OS_TMR_WHEEL;

缺省配置下，μC/OS-II 定义的轮数为8，因此，μC/OS-II 的定时器轮为如下的一个数组：

OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl［8］;

例如，在某一个特定的时刻，此处假设时刻5，系统中有定时时间为2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的软件定时器，那么，这些定时器将在时钟滴答分别为7、9、10、37、166、362时到期，则此时系统的定时器轮的实例如图 1所示：

2.2 μC/OS-II软件定时器的处理算法分析

μC/OS-II对定时器的超时处理在一个称为“uC/OS-II Tmr”的任务中进行，该任务是通过信号量 OSTmrSemSignal来激活。基于以上定义的定时器轮，μC/OS-II对定时器的处理算法如下：

static void OSTmr_Task （void *p_arg）

{

for（;;）

{

等待OSTmrSemSignal 信号量并获得OSTmrWheelTbl 的访问权；

STmrTime = OSTmrTime+1，并对8 求余后得到对应的定时器轮项索引index;

for OSTmrWheelTbl［index］定时器轮中的每一个定时器ptmr，do

{

if （OSTmrTime == ptmr-》OSTmrMatch） {

执行ptmr 软件定时器中的回调函数；

对于单次定时器，从定时器轮中删除该时钟；

对于周期性定时器，则重置该定时器的OSTmrMatch 值；

}

}

释放对OSTmrWheelTbl 的访问权；

}

}

2.3 μC/OS-II的定时器处理算法的效率分析

       采用上面的例子，对μC/OS-II的定时器处理算法效率进行一个简单的分析：在下一次时钟滴答，也就是时钟滴答 6时，没有定时器到期，而 for循环必须对每个时钟进行检查，类似的情况还发生在自时钟到达 10以后的多个检查中。根据系统中的定时器的数量，这种无谓的检查将占用大量的 CPU时间。

3、对μC/OS-II的定时器管理算法的改进

3.1 改进以后的数据结构设计

对μC/OS-II的定时器管理算法进行改进的主要目标是：要么不对定时器进行检查，要检查则一定有定时器到期［2］。为了达到这个设计目标，需要对μC/OS-II的定时器轮进行重新设计。采用同样的 OS_TMR数据结构和 OS_TMR_WHEEL定时器轮结构，但是，对定时器轮的每一个项的功能进行重新规划：

（1）定时器轮的第 1项到第 7项，即 OSTmrWheelTbl［1］到 OSTmrWheelTbl［7］的定时器轮，分别表示将在此后的第 1个时钟滴答到第 7个时钟滴答将到期的定时器项，此时，每个定时器结构的 OSTmrMatch中的值表示需要经过多少个时钟滴答该定时器项将到期。在同一个定时器轮中的多个定时器项通过 OSTmrNext和 OSTmrPrev指针构成双向链表。

（2）定时器轮的第 0项，表示将至少需要经过 8个时钟滴答才到期的定时器，并通过

OSTmrNext和 OSTmrPrev指针将这些定时器构成双向链表。 针对上面的同一个例子，按照此规划形成的新的定时器轮如图 2所示：

3.2 改进的处理算法

对定时器的超时处理仍然在“uC/OS-II Tmr”任务中进行，该任务还是通过信号量OSTmrSemSignal来激活，因此，对于基于该接口调用的应用程序可以不做任何修改即可正常运行。基于新规划的定时器轮，对定时器的处理算法如下：

static void OSTmr_Task （void *p_arg）

{

STmrTime = 0；

for（;;）

{

等待OSTmrSemSignal 信号量并获得OSTmrWheelTbl 的访问权；

STmrTime = OSTmrTime+1；

if （OSTmrTime 《 8）

{

for OSTmrWheelTbl［OSTmrTime］定时器轮中的每一个定时器ptmr，do

{

执行ptmr 软件定时器中的回调函数；

对于单次定时器，从定时器轮中删除该定时器；

对于周期性定时器，则重置该定时器的OSTmrMatch 值；

}

}

else // STmrTime == 8

{

for OSTmrWheelTbl［0］定时器轮中的每一个定时器ptmr，do

{

ptmr-》OSTmrMatch = ptmr-》OSTmrMatch – 8;//已经经过了8 个时钟滴答；

if （ptmr-》OSTmrMatch == 0） //到期定时值正好是8 的倍数

{

执行ptmr 软件定时器中的回调函数；

对于单次时钟，从定时器轮中删除该定时器；

对于周期性时钟重置该定时器的OSTmrMatch 值；

continue;

}

if （ptmr-》OSTmrMatch 《 8） //少于8 个ticks 将到期的定时器

{

根据ptmr-》OSTmrMatch 的值将ptmr 插入到相应的OSTmrWheelTbl

定时器轮中；

}

}

STmrTime = 0； //重新计数滴答；

}

释放对OSTmrWheelTbl 的访问权；

}

}

3.3改进的处理算法的效率分析

通过对改进以后的算法进行分析可以发现：在每一个时钟滴答，如果对应的定时器轮的OSTmrFirst指针不为NULL，则在该时钟滴答有到期的定时器，需要调用对应的回调函数。通过对定时器轮进行重新规划，避免了不必要的定时器到期检查，从而可节省 CPU时间，提高了运行效率。

4、结束语

针对本文提出的改进算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210为 MCU的开发板 ［3］［4］上对改进以后的处理算法进行了测试，测试中建立了 1000个软件定时器，在其他负载相同的情况下，通过μC/OS-II的统计任务对 CPU的使用率进行了统计分析，统计发现 CPU的负载率降低了约9%。