VxWorks是美國Wind River System公司(即WRS公司)推出的一個實時操作系統，具有良好的可靠性和的實時性。該系統采用基于優先級的可搶占式調度策略，系統為每一個任務分配一個優先級，調度程序保證當前運行的任務是優先權zui高的任務。但在實際開發中，由于任務間資源共享，信號量及中斷的引入，往往會出現高優先級任務被低優先級任務長時間阻塞(pend)或阻塞一段不確定時間的現象，即所謂的優先級反轉(Priority Inversion)。優先級反轉會造成任務調度的不確定性，嚴重時可能導致系統崩潰。本文在參考文獻[1,2]的基礎上，結合實際項目開發過程中遇到的優先級反轉問題，對造成優先級反轉的原因及其解決方法進行了探討。
優先級反轉一般性描述
優先級反轉發生在一個高優先級的任務被迫等待一段不確定時間，等待一個低優先級任務先完成。圖1中3個任務分別為task1、task2和task3，其優先級由高到低。從圖1可知，當task3占有由信號量(semaphore)保護的某種共享資源而進入臨界區執行時，task1就緒，由于系統可搶占式PBP(Priority Based Preemptive)調度策略，因此task1搶占task3執行。task1執行一段時間后也進入臨界區，但此時task3仍占有此臨界資源的信號量，task1被阻塞，等待task3釋放此信號量。在經過這么一段時間后，task2已處于就緒狀態，于是系統調度task2執行。如果task3在task2的執行期間一直沒有能夠被調度執行的話，那task1和task3將一直等到task2執行完后才能執行，task1更要等到task3釋放它所占有的信號量才能執行；如果這段時間超出task1的Deadline，task1的調度出現了問題，此時輕則任務被長時間阻塞，重則造成系統崩潰。優先級反轉原因可歸納為：高優先級的任務task1由于要等待被低優先級任務task3占有的臨界資源而被task2阻塞，而此時具有中優先級的任務task2搶占了task3的CPU時間,導致task2先于task1執行。此類優先級反轉問題的解決方法大致有2種：一種被稱作優先級繼承(priority inheritance)；另一種被稱作優先級極限(priority ceilings)。下面介紹本文所遇到的優先級反轉問題。
優先級反轉的實例探討
上節對一般意義上的優先級反轉現象進行了描述，本節涉及的優先級反轉則較上述更為復雜，更具有隱蔽性。
本文采用的嵌入式微處理器為S3C2510, CPU核為Arm940T，SAMSUNG公司制造。應項目的需要，要求任務task1和task2中分別進行調用微秒級和毫秒級定時器功能函數，由于S3C2510處理器5個32位定時器(timer)，因此利用其中的兩個即可。其中，ms級定時器實現的代碼架構如下：
1) 中斷處理函數：
LOCAL void Timer1_Int_Handle(void)
{
*S3C2510_TIC |= S3C2510_TIC_T1;/*清除中斷*/
...
semGive(ID4_Stop);/*釋放二進制信號量*/
...
}
2) 毫秒級定時函數
void ms_Delay(int ms)
{
...
semTake(ID4_Stop,WAIT_FOREVER);
...
}
3) 時鐘初始化函數
void msTimer_Init()
ID4_Stop=semCCreate(SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY);/*初始化二進制信號量*/
assert(ID4_Stop);
...
}
us級定時器功能實現的代碼與上面類似，這里不再給出相應的代碼。函數調用說明：*行初始化，然后任務可隨意調用定時功能函數。當某個任務調用定時功能函數時，此時該任務被信號量阻塞，同時定時器開始進行減一計數，當計數器減到0時，會產生一個中斷請求信號，此時系統會調用中斷處理函數，在中斷處理函數將信號量釋放，此時信號量變的可用，任務繼續執行。
當在兩個不同優先級任務task1,task2(設優先級分別為93和94)同時運行，并分別調用us和ms級定時功能函數時，優先級反轉出現了，task1會被長時間阻塞。其中，task1和task2的調用如下：
void task1(void)
{
...
FOREVER
{
...
us_Delay();
...
taskDelay(4);
}
void Task2(void)
{
...
FOREVER
{
ms_Delay();
...
}
上述兩個任務間間資源是獨立的，但兩個任務在一起運行時，高優先級任務task1在經過一段時間后會被長期阻塞。
解決上述問題的方法比較簡單，只要調整task1的任務優先級低于task2，這里選為95，則兩個任務可長時間并行運行。
由于加入了中斷和信號量，使系統任務調度變的復雜，從而導致兩個原本看似獨立的任務task1和task2，不能正常并行運行。造成此類現象的原因分析極其復雜，可視為是系統應用的一個盲點，但此類問題可通過總結規律有效饒開。例如在上述問題中，若task1調用的定時函數的定時時間小于task2中的定時時間，則相應的任務優先級也應task1PriorityTASK2PRIORITY，這樣高優先級任務就不會被阻塞。
4 結論
本文結合實際例子，對Vxworks中優先級反轉問題進行了探討，并對此類問題的解決方法進行了描述。本文的探討將使嵌入式系統開發人員更深入了解優先級反轉問題。文章zui后對優先級反轉問題作如下歸納：
1) 通常條件：信號量引入；
2) 發生時間：高優先級的任務被迫等待一段不確定時間，等待一個低優先級任務完成；
3) 造成原因：各異；
4) 表現形式：高優先級任務被長時間阻塞。
參考文獻
1、劉輝，孟凡榮，席景科.‘嵌入式實時系統的優先級反轉問題’，單片機嵌入式系統應用， 2003.3
2、黨紀紅，李東明，袁贛南.‘Vxworks實時內核調度的研究分析’，應用科技， 2003.2
