專利名稱：嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效遍歷的定時(shí)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，特別涉及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的定時(shí)器方法。
背景技術(shù)：
嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)一般由任務(wù)調(diào)度管理、時(shí)間管理、任務(wù)同步和通信、內(nèi)存管理等幾部分組成。由于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對時(shí)序的偏差依賴型很強(qiáng)，因此定時(shí)器作為操作系統(tǒng)時(shí)間管理的核心就顯得很重要。總之，定時(shí)器是整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵所在，設(shè)計(jì)一個(gè)符合系統(tǒng)需求、且高效的定時(shí)器算法是非常有必要的。
定時(shí)器是基于硬件的時(shí)鐘中斷的，硬件時(shí)鐘每隔一定時(shí)間會產(chǎn)生一個(gè)硬件時(shí)鐘中斷，該時(shí)間間隔為系統(tǒng)的最小計(jì)時(shí)單位。在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，任務(wù)會要求系統(tǒng)在一定時(shí)間間隔后對任務(wù)報(bào)警并通過這種方式來處理周期性事務(wù)，而系統(tǒng)則根據(jù)時(shí)鐘中斷發(fā)生的次數(shù)來計(jì)算時(shí)間間隔，這就是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的定時(shí)器功能。顯然定時(shí)器是和硬件時(shí)鐘中斷關(guān)聯(lián)起來。然而，硬件時(shí)鐘的個(gè)數(shù)是有限的(往往只有一個(gè))，如何利用有限的硬件中斷源有效滿足大量的任務(wù)定時(shí)需求，成為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一。
目前定時(shí)器的計(jì)時(shí)方法主要有三種一種方法是當(dāng)每個(gè)計(jì)時(shí)周期到達(dá)時(shí)，先將所有定時(shí)器的計(jì)時(shí)數(shù)減1，然后判斷結(jié)果是否為0，如果為0，則表示計(jì)時(shí)時(shí)間已到并進(jìn)行報(bào)時(shí)處理，否則繼續(xù)進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，這種方法稱為簡單計(jì)時(shí)法。
另一種方法是多隊(duì)列計(jì)時(shí)法。首先根據(jù)系統(tǒng)定時(shí)器應(yīng)用特點(diǎn)，將定時(shí)器劃分成不同時(shí)長的隊(duì)列，目的在于減少每次參與計(jì)數(shù)的定時(shí)器個(gè)數(shù)。在設(shè)定定時(shí)器時(shí)，將計(jì)時(shí)時(shí)長分解為毫秒位、個(gè)位、十位、百位、千位等幾個(gè)部分，再把定時(shí)器插入到最大的不為0的位所在的隊(duì)列，計(jì)時(shí)就從該隊(duì)列開始，完成后逐一計(jì)以下位，直至計(jì)時(shí)到毫秒位隊(duì)列，最后在該隊(duì)列計(jì)時(shí)完成后，該定時(shí)器總計(jì)時(shí)完畢。
最后一種方法則是傳統(tǒng)的兩級定時(shí)方法。其采用兩級定時(shí)器機(jī)制(計(jì)數(shù)器和定時(shí)器)，它首先將硬件的時(shí)鐘中斷與計(jì)數(shù)器(Counter)相關(guān)聯(lián)，每一個(gè)計(jì)數(shù)器可以關(guān)聯(lián)一個(gè)或多個(gè)定時(shí)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)達(dá)到一定的值的時(shí)候(比如在此時(shí)至少有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的定時(shí)器會報(bào)時(shí))，計(jì)數(shù)器將會遍歷檢查與之關(guān)聯(lián)的所有的定時(shí)器(Alarm)，將定時(shí)器的報(bào)時(shí)時(shí)間與當(dāng)前的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較判斷，并將應(yīng)在此刻報(bào)時(shí)的定時(shí)器進(jìn)行報(bào)時(shí)操作。
縱上所述，可以看出簡單計(jì)時(shí)法固然方法簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但當(dāng)定時(shí)器數(shù)目滿載(如20000個(gè))時(shí)，則每次計(jì)數(shù)需要更新所有定時(shí)器，即做20萬次更新遍歷(假設(shè)每一個(gè)定時(shí)器的計(jì)時(shí)周期100毫秒)，而嵌入式系統(tǒng)的CPU資源相當(dāng)有限，定時(shí)器本身的任務(wù)不能占太多的資源，所以如果采用這種方法，就會占用較多的CPU資源。
而多任務(wù)隊(duì)列計(jì)時(shí)法相對簡單計(jì)時(shí)法更高效，在每次計(jì)時(shí)周期到來時(shí)，只需做與隊(duì)列數(shù)相同的判斷和更新，以及可能的報(bào)時(shí)操作，就能基本滿足嵌入式系統(tǒng)的定時(shí)需求。但同時(shí)該方法也存在很多冗余操作，如空負(fù)載時(shí)檢查所有隊(duì)列，滿負(fù)載時(shí)要對所有隊(duì)列做2倍于檢查的加減法操作，真正有效的操作只有占其中很少部分的報(bào)時(shí)和插入操作；而且在隊(duì)列處理中存在耗費(fèi)計(jì)算資源的排序操作。
而在傳統(tǒng)的兩級定時(shí)方法中，雖然每次硬件時(shí)鐘中斷僅觸發(fā)計(jì)數(shù)器，而不觸發(fā)所有定時(shí)器，在一定程度上提高了定時(shí)器效率，充分利用了硬件資源，但是由于計(jì)數(shù)器在每達(dá)到一定的值的時(shí)候，都要遍歷與之關(guān)聯(lián)的所有的定時(shí)器，并進(jìn)行比較判斷操作，其效率是很低的，特別是當(dāng)與該計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的定時(shí)器數(shù)量較多的時(shí)候，遍歷所有定時(shí)器的做法會存在很多耗時(shí)的不必要的操作。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中用單一硬件中斷源控制多個(gè)定時(shí)器并解決簡單定時(shí)器的低效率問題、多隊(duì)列計(jì)時(shí)法中存在的冗余操作和排序操作的缺點(diǎn)以及傳統(tǒng)的兩級定時(shí)方法中耗時(shí)低效的遍歷問題，本發(fā)明提出一種用于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)定時(shí)器的高效遍歷的兩級定時(shí)方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提出的兩級定時(shí)方法是指兩級定時(shí)器機(jī)制(計(jì)數(shù)器和定時(shí)器)，它首先將硬件的時(shí)鐘中斷與計(jì)數(shù)器(Counter)相關(guān)聯(lián)，每一個(gè)計(jì)數(shù)器可以關(guān)聯(lián)一個(gè)或多個(gè)定時(shí)器(如圖1所示)。這樣每次硬件時(shí)鐘中斷僅觸發(fā)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，而不用觸發(fā)所有的定時(shí)器，充分利用了硬件資源；而由計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前它的計(jì)數(shù)值和與其關(guān)聯(lián)的定時(shí)器的報(bào)時(shí)時(shí)間，來判斷是否使定時(shí)器進(jìn)行報(bào)時(shí)操作。
本發(fā)明所述嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效遍歷的定時(shí)方法包括以下步驟(1)先將至少一個(gè)計(jì)數(shù)器與對應(yīng)的硬件中斷源進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定操作，然后將至少一個(gè)定時(shí)器與相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作。每個(gè)計(jì)數(shù)器的上面，有一個(gè)指向與其所關(guān)聯(lián)的定時(shí)器鏈表的指針，在該鏈表中，定時(shí)器是按照其下一次的報(bào)時(shí)時(shí)刻的順序進(jìn)行排列的；在每個(gè)計(jì)數(shù)器的上面，有一整型變量(名為RemainTicks)，表示此刻該計(jì)數(shù)器相關(guān)聯(lián)的下一個(gè)定時(shí)器報(bào)時(shí)所需經(jīng)過的計(jì)數(shù)單位。由于在鏈表中，定時(shí)器是按下一次報(bào)時(shí)的時(shí)刻順序排列的，所以下一個(gè)報(bào)時(shí)的定時(shí)器肯定位于該鏈表的頭部，所以RemainTicks的值也就等于此刻該鏈表的頭指針?biāo)傅亩〞r(shí)器報(bào)時(shí)所需經(jīng)過的計(jì)數(shù)單位。當(dāng)鏈表非空，且RemainTicks的值為0時(shí)，則表示此刻將至少有一個(gè)與該計(jì)數(shù)器相關(guān)聯(lián)的定時(shí)器會報(bào)時(shí)。如果鏈表為空，則RemainTicks的值無意義。
(2)如圖2所示，在每個(gè)計(jì)時(shí)周期到來時(shí)，查詢計(jì)數(shù)器的鏈表是否為空，如果為空，則繼續(xù)等待下一個(gè)計(jì)時(shí)周期的到來；如果不為空，則將計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值減1，并判斷RemainTicks的值是否為0，如果不為0，則不需遍歷定時(shí)器鏈表，繼續(xù)等待下一個(gè)計(jì)時(shí)周期的到來；如果為0，則表示此刻至少有一個(gè)定時(shí)器會報(bào)時(shí)，進(jìn)行如下操作(a)遍歷定時(shí)器鏈表中會報(bào)時(shí)的定時(shí)器(它們處于鏈表的前部)，直到遍歷到不在此刻報(bào)時(shí)的定時(shí)器或已遍歷到鏈表末尾的時(shí)候，退出這次遍歷操作(無需繼續(xù)遍歷其余的定時(shí)器，因?yàn)樗鼈兛隙ú粫诖丝虉?bào)時(shí))；(b)更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，其值為此時(shí)鏈表的頭指針?biāo)赶虻亩〞r(shí)器的下一次報(bào)時(shí)所需經(jīng)過的計(jì)數(shù)單位。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，如果剛剛報(bào)時(shí)的定時(shí)器為一次性定時(shí)器的話，則將其直接從鏈表中刪除。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，如果剛剛報(bào)時(shí)的定時(shí)器為循環(huán)定時(shí)器的話，則更新其下一次的報(bào)時(shí)時(shí)刻，并按下一次報(bào)時(shí)時(shí)刻順序?qū)⑵湓诙〞r(shí)器鏈表中插入。
作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，當(dāng)上層應(yīng)用程序需要啟動新的定時(shí)器時(shí)，按照下一次報(bào)時(shí)的時(shí)刻順序，將該定時(shí)器插入與其關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)器的定時(shí)器鏈表中。如果該定時(shí)器插入的位置為鏈表的頭指針的話，則更新一下該計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，否則不需要更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值。
本發(fā)明的有益效果在于每當(dāng)計(jì)時(shí)周期到來，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)候，不用每次都去檢查遍歷定時(shí)器的鏈表，而只是在至少有一個(gè)定時(shí)器會報(bào)時(shí)的時(shí)候，才會去檢查遍歷定時(shí)器鏈表，這樣提高了效率；在至少有一個(gè)定時(shí)器會報(bào)時(shí)檢查遍歷定時(shí)器的鏈表的時(shí)候，只會去檢查遍歷和更新那些會在此刻報(bào)時(shí)的定時(shí)器，而不會去遍歷其余的在此刻還未報(bào)時(shí)的定時(shí)器，即不會去一一檢查遍歷所有的定時(shí)器，這樣減少了耗時(shí)的不必要的操作，提高了效率。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中兩級定時(shí)機(jī)制的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述的高效遍歷的定時(shí)方法的核心算法流程圖；圖3是本發(fā)明所述的高效遍歷的定時(shí)方法的運(yùn)作舉例示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明所述的高效遍歷的定時(shí)方法作進(jìn)一步介紹。
圖3顯示了在AXIOM CME-0555板子里，硬件中斷源的計(jì)時(shí)周期到來時(shí)，相應(yīng)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在一定時(shí)刻高效遍歷與其相關(guān)聯(lián)的定時(shí)器進(jìn)行報(bào)時(shí)的步驟原理。假設(shè)計(jì)數(shù)器X有N個(gè)定時(shí)器與之相關(guān)聯(lián)，計(jì)數(shù)器有一鏈表指針指向這些定時(shí)器，在該鏈表中，這些定時(shí)器按照下一次報(bào)時(shí)的時(shí)刻順序排列的。假設(shè)在鏈表中，排在前面的5個(gè)定時(shí)器分別為定時(shí)器A、B、C、D、E，其下一次報(bào)時(shí)時(shí)間和周期值分別如下表所示。計(jì)數(shù)器X上的RemainTicks值等于與該計(jì)數(shù)器相關(guān)聯(lián)的下一個(gè)定時(shí)器報(bào)時(shí)所需經(jīng)過的計(jì)時(shí)單位，剛開始時(shí)由于定時(shí)器A的下一次報(bào)時(shí)時(shí)刻為30計(jì)時(shí)單位，當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間為0計(jì)時(shí)單位，所以此時(shí)的RemainTicks值應(yīng)等于30計(jì)時(shí)單位。

當(dāng)下一計(jì)數(shù)周期到來時(shí)，計(jì)數(shù)器的RemainTicks值減1變?yōu)?9，因?yàn)椴坏扔?，所以繼續(xù)等待下一計(jì)數(shù)周期的到來。
每當(dāng)計(jì)數(shù)周期到來時(shí)，如果鏈表非空，則計(jì)數(shù)器的RemainTicks值都會減1，直到當(dāng)RemainTicks等于0的時(shí)候，開始遍歷與該計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的定時(shí)器鏈表(因?yàn)榇藭r(shí)至少會有一個(gè)定時(shí)器報(bào)時(shí)，設(shè)有K個(gè)定時(shí)器此時(shí)會報(bào)時(shí)，K＞＝1)，按照定時(shí)器在鏈表中的順序，定時(shí)器A和定時(shí)器B分別會被遍歷到并進(jìn)行報(bào)時(shí)操作，當(dāng)遍歷到定時(shí)器C的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)定時(shí)器C不會在此刻報(bào)時(shí)(因?yàn)楫?dāng)前系統(tǒng)時(shí)刻為30計(jì)數(shù)單位，而它的報(bào)時(shí)時(shí)刻為70計(jì)數(shù)單位)，所以結(jié)束遍歷操作(無需繼續(xù)遍歷鏈表中剩余的定時(shí)器，即無需遍歷其余的N-K個(gè)定時(shí)器，因?yàn)樗鼈兛隙ú粫诖丝虉?bào)時(shí))。然后計(jì)算出剛報(bào)時(shí)過的定時(shí)器的下一次報(bào)時(shí)時(shí)刻，定時(shí)器A和定時(shí)器B的下一次報(bào)時(shí)時(shí)刻分別為75計(jì)數(shù)單位和80計(jì)數(shù)單位，并按下一次報(bào)時(shí)時(shí)刻的順序?qū)⑺鼈儌z插入到鏈表中，此時(shí)鏈表中前面5個(gè)定時(shí)器的順序?yàn)槎〞r(shí)器C、A、B、D、E。最后，更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，其值應(yīng)等于定時(shí)器C下一次報(bào)時(shí)還需經(jīng)過的計(jì)數(shù)單位，即70-30＝40計(jì)數(shù)單位。接著繼續(xù)等待下一計(jì)數(shù)周期的到來。
根據(jù)上述的步驟原理，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)候，當(dāng)且僅當(dāng)在至少有一個(gè)定時(shí)器會報(bào)時(shí)的時(shí)候，才會去檢查遍歷定時(shí)器鏈表，而且在檢查遍歷定時(shí)器鏈表的時(shí)候，只會遍歷會在此刻進(jìn)行報(bào)時(shí)的定時(shí)器，而不會去遍歷其余的在此刻還未報(bào)時(shí)的定時(shí)器，這樣減少了耗時(shí)的沒必要的操作，從而提高了效率，特別是當(dāng)與該計(jì)數(shù)器關(guān)聯(lián)的定時(shí)器數(shù)量較多的時(shí)候，效果會更明顯。
當(dāng)上層應(yīng)用程序需要添加新的定時(shí)器的時(shí)候，可以直接在相應(yīng)的計(jì)數(shù)器的鏈表上面按照下一次報(bào)時(shí)的時(shí)刻的順序插入該定時(shí)器即可。如果該定時(shí)器插在鏈表的頭部，則需要更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，否則無需更新RemainTicks值。
當(dāng)上層應(yīng)用程序不再需要某定時(shí)器的時(shí)候，可以直接在相應(yīng)的計(jì)數(shù)器的鏈表上面刪除該定時(shí)器即可。如果該定時(shí)器原來是在鏈表的頭部，則需要更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，否則無需更新RemainTicks值。
綜上所述，本發(fā)明采用的高效遍歷的定時(shí)方法，大大提高了計(jì)數(shù)器遍歷觸發(fā)定時(shí)器的效率，節(jié)省了系統(tǒng)的資源，而且維護(hù)、操作方法簡單，實(shí)現(xiàn)容易。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例子。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例子，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效遍歷的定時(shí)方法，包括以下步驟(1)將至少一個(gè)計(jì)數(shù)器與對應(yīng)的硬件中斷源進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定操作，然后將至少一個(gè)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作；所述計(jì)數(shù)器上有一指向與其所關(guān)聯(lián)的定時(shí)器鏈表的指針，在該鏈表中定時(shí)器按照其下一次的報(bào)時(shí)時(shí)刻的順序進(jìn)行排列；所述計(jì)數(shù)器上面有一表示此刻該計(jì)數(shù)器相關(guān)聯(lián)的下一個(gè)定時(shí)器報(bào)時(shí)所需經(jīng)過的計(jì)數(shù)單位的整型變量RemainTicks；(2)在每個(gè)計(jì)時(shí)周期到來時(shí)，查詢計(jì)數(shù)器的鏈表是否為空，如果為空，則繼續(xù)等待下一個(gè)計(jì)時(shí)周期的到來；如果不為空，則將計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值減1，并判斷RemainTicks的值是否為0，如果不為0，則不需遍歷定時(shí)器鏈表，繼續(xù)等待下一個(gè)計(jì)時(shí)周期的到來；如果為0，則表示此刻至少有一個(gè)定時(shí)器會報(bào)時(shí)，進(jìn)行如下操作(a)遍歷定時(shí)器鏈表中會報(bào)時(shí)的定時(shí)器，直到遍歷到不在此刻報(bào)時(shí)的定時(shí)器或已遍歷到鏈表末尾的時(shí)候，退出這次遍歷操作；(b)更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，其值為此時(shí)鏈表的頭指針?biāo)赶虻亩〞r(shí)器的下一次報(bào)時(shí)所需經(jīng)過的計(jì)數(shù)單位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效遍歷的定時(shí)方法，其特征在于，在所述第(2)步操作中，如果剛剛報(bào)時(shí)的定時(shí)器為一次性定時(shí)器，則將其直接從鏈表中刪除。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效遍歷的定時(shí)方法，其特征在于，在所述第(2)步操作中，如果剛剛報(bào)時(shí)的定時(shí)器為循環(huán)定時(shí)器，則更新其下一次的報(bào)時(shí)時(shí)刻，并按下一次報(bào)時(shí)時(shí)刻順序?qū)⑵湓诙〞r(shí)器鏈表中插入。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效遍歷的定時(shí)方法，其特征在于，當(dāng)上層應(yīng)用程序需要啟動新的定時(shí)器時(shí)，按照下一次報(bào)時(shí)的時(shí)刻順序，將該定時(shí)器插入與其關(guān)聯(lián)的計(jì)數(shù)器的定時(shí)器鏈表中。如果該定時(shí)器插入的位置為鏈表的頭指針的話，則更新該計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值，否則不需要更新計(jì)數(shù)器的RemainTicks的值。
全文摘要
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，旨在提供一種計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的定時(shí)器方法。該方法包括將至少一個(gè)計(jì)數(shù)器與對應(yīng)的硬件中斷源進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定操作，然后將至少一個(gè)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作；在每個(gè)計(jì)時(shí)周期到來時(shí)，查詢計(jì)數(shù)器的鏈表是否為空，據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)操作步驟。本發(fā)明中的方法每當(dāng)計(jì)時(shí)周期到來，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的時(shí)候，不用每次都去檢查遍歷定時(shí)器的鏈表，提高了效率；在至少有一個(gè)定時(shí)器會報(bào)時(shí)檢查遍歷定時(shí)器的鏈表的時(shí)候，只會去檢查遍歷和更新那些會在此刻報(bào)時(shí)的定時(shí)器，而不會去遍歷其余的在此刻還未報(bào)時(shí)的定時(shí)器，即不會去一一檢查遍歷所有的定時(shí)器，這樣減少了耗時(shí)的不必要的操作，提高了效率。
文檔編號G06F9/46GK1877535SQ20061005237
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者吳朝暉, 徐盧傳, 楊國青, 李紅, 孫潔, 趙民德 申請人:浙江大學(xué)