VxWorks任务调度

大家知道，CPU运行的基本单位其实是一条一条的指令，如今我们通过编译器就可以将代码生成为机器指令，也就是所谓的二进制文件，这些指令组成了程序。程序在装入内存中执行时被称之为任务，或者说是进程。随着处理器性能的日益强大，程序也越来越复杂，因此诞生了操作系统来帮助我们管理进程，更合理地分配处理器资源，这也就是任务调度的目标。而在VxWorks中，能够调度起这些任务，最核心的就是reschedule调度算法了。

不过在介绍它之前，还是要先了解下实时系统和分时系统的概念。我们现在接触最多的操作系统，像Windows、Linux这些都是分时操作系统，也就是把允许每个程序运行的时间划分为很短的时间片，按时间片轮流在处理器上运行，但是切换的速度非常快，这样微观上看是各程序轮流运行，宏观上看是进程们在并行工作。

而VxWorks属于实时系统，这也就要求做到及时响应和高可靠性，例如我们更期望一个系统能够始终以50微秒执行一个函数，而不期望系统平均以10微秒执行该函数，但偶尔会以75微秒执行它。这通常需要基于优先级的抢占调度，任务都被指定了优先级，在能够执行的任务（没有被挂起或正在等待资源）中，优先级最高的任务被分配CPU资源。这两种调度方式可以结合使用。

VxWorks默认采用基于优先级的抢占式调度(Priority-based preemptive scheduling)算法，同时也允许选用轮转(Round-robin)调度算法。

Wind内核有256个优先级，编号是0-255，0的优先级最高，255最低。有趣的是，这个优先级机制也并非完美。NASA的火星探路者号火星车就用的是VxWorks，在着陆后的第10天，它就开始无规律地重启，每次重启都造成了数据丢失。原因是当一个高优先级任务和低优先级任务共同需要某个资源时，就可能会导致优先级反转问题。

气象任务（低优先级）获得互斥量并写总线的时候，一个中断的发生导致了通信任务（中优先级）被调度并就绪，调度的时机正好是总线管理任务（高优先级）等待在总线访问互斥量上的时候。这种情况下，因为通信任务比气象任务优先级高，所以会抢占气象任务，当然，这也就更让总线管理任务失去了运行的机会。通信任务运行时间稍长，总线管理任务就会等待互斥量超时，返回错误，提示总线任务没有能够在一定的时间内完成总线操作，在探路者中，这种情况被当作严重错误处理，作为错误处理的结果就是整个系统被重启。

据报道，工程师们后来承认，在飞行前测试阶段就发生过一两起这样的重启，但是相当不易重现所以也没有得到解释，于是出于一种很自然的回避情绪认为这个问题不重要，并且也找到了一个托词——可能是硬件上的小毛病引起的。实际上为了防止这种高优先级任务反而被低优先级卡住的问题，VxWorks提供了优先级继承的手段，让进入临界区的任务临时继承临界区任务中的最高优先级，这时低优先级任务暂时获得了高优先级任务的优先级，系统优先级反转的情况就消失了。

内核调度器的目标是保证优先级最高的就绪任务处于运行状态，任务控制块(TCB)保存了任务的状态，下面几种是基本的。

当一个高优先级的任务由于资源释放变为就绪态，在reschedule调度后，它会立即抢占当前正在运行的较低优先级的任务。

就绪态(Ready)：任务只等待系统分配CPU资源

挂起态(Pend)：任务需等待某些目前不可利用的资源而被阻塞

休眠态(Sleep)：如果某一个任务不需要工作，则这个任务处于休眠状态

延迟态(Delay)：任务被延迟时所处的状态

根据任务的状态和类型，会把它们按顺序放到链表队列中，优先级高的任务排在队列前面，相同优先级的任务按照进入队列的先后顺序排列。这样调度的时候直接从队列头中取就好了。

readyQHead：存放就绪的任务，被抢占的任务排在同优先级任务的最前面队列头

tickQHead：存放由于时间而被延迟和休眠的任务队列头

pendQHead：存放由于资源而被挂起的任务队列头

activeQHead：活动队列包括了内核中创建的所有任务，也就包括了上面3种队列中的任务

workQ队列：环形的内核队列，存放内核产生的一些需要进行延时处理的操作

在资源释放后，任务的状态也会相应地改变。因此，进入重新调度的时机主要就是中断处理的执行退出、系统时钟更新（定时器中断）、对任务的操作（taskSpawn/Delete/Delay等）、资源的变化（如信号量semGive/Take、消息队列、内存空间）等。在这些操作触发进入reschedule后，它又干了哪些事呢？

/********************************************************************************* reschedule - portable version of the scheduler** This routine determines the appropriate task to execute, then calls any* switch and swap hooks, then loads its context.  The complicating factor* is that the kernel work queue must be checked before leaving.  In the* portable version the checking of the work queue and the loading of the* task's context is done at interrupt lock out level to avoid races with* ISRs.  An optimized version ought to load as much of the context as is* possible before locking interrupts and checking the work queue.  This will* reduce interrupt latency considerably.** The _WRS_FUNC_NORETURN attribute is applied to reschedule() so that the * compiler can dispense with generating the usual preamble that is only* required for functions that actually return.  The reschedule() function * never returns since windLoadContext() is always used to effect a change in* execution context.  Likewise the windLoadContext() routine is marked as * _WRS_FUNC_NORETURN so that the compiler can dispense with saving any * volatile registers before invoking windLoadContext().** \NOMANUAL*/_WRS_FUNC_NORETURN void reschedule (void){    FAST int  ix;       /* loop index */  pPrevTcb    = _WRS_KERNEL_CPU_GLOBAL_GET (currentCpuIndex, taskIdCurrent);    pCurrentTcb = pPrevTcb;    if (!_WRS_KERNEL_CPU_GLOBAL_GET (currentCpuIndex, workQIsEmpty))  {unlucky:  workQDoWork ();  }

从代码中可以看到，在对称多处理器核心的情况下，首先它会获取当前核心的上一次重新调度后执行的任务TCB，然后会检查当前内核workQ队列是否有还未执行的任务，如果没有的话就可以开始调度任务了。pCurrentTcb即指示当前正在运行的任务。

 pCandidateTcb = READY_Q_TASK_GET (currentCpuIndex, &nextCpu);    if (pCandidateTcb != pCurrentTcb)

从readyQ中取出当前核心的待执行任务，同时将下一个需要调度的核心号放到nextCpu。然后判断当前运行的任务是否就是要执行的任务，如果不是的话就开始了切换流程。

{  pCandidateTcb->windSmpInfo.cpuIndex = currentCpuIndex;

设置将要执行任务的处理器信息为当前核心。

mask = pCandidateTcb->swapInMask | pCurrentTcb->swapOutMask;  for (ix = 0; mask != 0; ix++, mask = mask >> 1)    if (mask & 1)    (* taskSwapTable[ix]) (pCurrentTcb, pCandidateTcb);

然后进行任务的swap交换操作。此Hook提供给内核使用。

for (ix = 0;    (ix < VX_MAX_TASK_SWITCH_RTNS) && (taskSwitchTable[ix] != NULL);    ++ix)    (* taskSwitchTable[ix]) (pCurrentTcb, pCandidateTcb);

进行任务的switch切换操作。具体Hook函数由用户任务自己指定。这是为了让用户在切换过程中能够执行一些自定义的逻辑，而无需修改内核代码。

pCurrentTcb->windSmpInfo.cpuIndex = NONE;  _WRS_KERNEL_CPU_GLOBAL_SET (currentCpuIndex, taskIdCurrent, pCandidateTcb);  pCurrentTcb->windSmpInfo.stateRequest &= ~WIND_STATE_CHANGE;  pCurrentTcb = pCandidateTcb;  }

设置一些全局变量和状态标志，并确保pCurrentTcb始终指向切换后的任务。如果不切换的话那当前核自然不需要再进行上面的调度，这时nextCpu就派上用场了。

 if (nextCpu >= 0)  {  CPUSET_ZERO (cpuSet);  CPUSET_SET  (cpuSet, nextCpu);     vxIpiEmit (IPI_INTR_ID_SCHED, cpuSet);  nextCpu = SCHED_REQ_DONE;  }

在多核的环境下，为了维持时间的统一，减小不必要的开支，硬件定时器的中断往往只会由最先运行的主核进行响应，也就是说，其他核上其实是没有时间观念的，那么这些核上的任务在延时之后该怎么切换回来呢？这时就需要主核根据下一个CPU，向对应的核心发送核间中断，其他核心收到中断后，就会引起那个核的reschedule过程，这样每个核心就可以自己调度核上的任务了。

 oldLevel = INT_CPU_LOCK ();    if (!_WRS_KERNEL_CPU_GLOBAL_GET (currentCpuIndex, workQIsEmpty))  {  INT_CPU_UNLOCK (oldLevel);    goto unlucky;      /* take it from the top... */  }

最后一次检查workQ工作队列。为什么在reschedule()的末尾还要再次判断内核队列是否为空，如果非空重新执行调度器呢？这是因为，在执行内核切换和交换钩子函数期间，有可能会有更高优先级的任务刚好需要被唤醒，由于此时Wind内核正在被reschedule调度器互斥访问（即Wind内核处于内核态，kernelState=TRUE），将这些任务转为就绪态的工作都会被放到内核队列延迟运行。执行内核队列中的任务会使得更高优先级的任务可以进入就绪态，需要重新提供一次调度的机会，这样确保了只有优先级最高的任务占据CPU。

例如，某个高优先级任务被信号量semTake住。由于该任务处在pend队列中，刚才的调度选择的是ready队列中的某个中优先级任务。而就在同一时间，定时器中断触发，该信号量被释放，在semGive中，它先会判断当前处在中断上下文或内核锁不可用，信号量将被延迟释放，在semGiveDefer中将该类型信号量的Give方法加入到了workQ队列中。这时重新执行该workQ任务，就能让这个高优先级任务重回ready队列，赶上这次的调度。

 _WRS_KERNEL_CPU_GLOBAL_SET (currentCpuIndex, reschedMode,        WIND_NO_RESCHEDULE);

从这里开始，新任务已经被确定，再也没有什么能阻止任务上下文的加载了。顺便清除下CPU的重新调度标志。

KERNEL_LOCK_GIVE ();    windLoadContext ();}

现在，加载新的任务上下文并开始执行它。

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