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1、概述
軟件定時器是一種軟件措施，通過它可以使一項特定的任務在給定的時間段后被執行。軟件定時器廣泛地應用于內核設計和應用程序設計中，例如，一個進程使用軟件定時器等待其他的進程完成特定的動作，以使任務間的操作同步等，因此，對軟件定時器的高效實現對提升系統的響應效率是至關重要的。
作為一種基礎的軟件措施，μC/OS-II［1］的 V2.86版本中增加了對軟件定時器的支持。使用μC/OS-II提供的軟件定時器，應用程序可以方便地完成特定的定時任務。本文對μC/OS-II的軟件定時器的實現機制進行簡要分析，然后提出了對μC/OS-II的軟件定時器的實現進行改進的方法。
2、μC/OS-II軟件定時器的實現機制及算法分析
2.1 μC/OS-II軟件定時器的核心數據結構
μC/OS-II實現軟件定時器的核心數據結構是 OS_TMR，其定義如下：
typedef struct os_tmr {
INT8U OSTmrType; /*應該設置為OS_TMR_TYPE*/
OS_TMR_CALLBACK OSTmrCallback; /*指定時間到達時要執行的回調函數*/
void *OSTmrCallbackArg; /*傳遞給回調函數的參數*/
void *OSTmrNext; /*軟件定時器鏈表管理指針*/
void *OSTmrPrev;
INT32U OSTmrMatch; /*當OSTmrTime == OSTmrMatch 時表示定時器時間到*/
INT32U OSTmrDly; /*對于周期性定時器，再次啟動定時器前的延時時間*/
INT32U OSTmrPeriod; /*對于周期性定時器，時鐘周期的長度*/
INT8U OSTmrOpt; /*選項 （如 OS_TMR_OPT_xxx 等） */
INT8U OSTmrState; /*定時器的狀態*/
} OS_TMR;
每個 OS_TMR結構的實例定義了一個軟件定時器，多個軟件定時器通過結構中的 OSTmrNext和 OSTmrPrev構成一個定時器雙向鏈表。
為了提高對軟件定時器的管理效率，μC/OS-II引入了“定時器輪”數據結構，所謂定時器輪，是將定時器實例中的 OSTmrMatch域的值參照某一個預先設計的數（稱為輪數）進行求余運算，并根據求余結果將定時器進行分組以改善對到期定時器的命中率。定時器輪數缺省配置如下：
typedef struct os_tmr_wheel {
OS_TMR *OSTmrFirst; /*指向第一定時器的指針*/
INT16U OSTmrEntries; /*該定時器輪中的定時器項數*/
} OS_TMR_WHEEL;
缺省配置下，μC/OS-II 定義的輪數為8，因此，μC/OS-II 的定時器輪為如下的一個數組：
OS_TMR_WHEEL OSTmrWheelTbl［8］;
例如，在某一個特定的時刻，此處假設時刻5，系統中有定時時間為2ticks、4ticks、5ticks、32ticks、161ticks、357ticks的軟件定時器，那么，這些定時器將在時鐘滴答分別為7、9、10、37、166、362時到期，則此時系統的定時器輪的實例如圖 1所示：
2.2 μC/OS-II軟件定時器的處理算法分析
μC/OS-II對定時器的超時處理在一個稱為“uC/OS-II Tmr”的任務中進行，該任務是通過信號量 OSTmrSemSignal來激活。基于以上定義的定時器輪，μC/OS-II對定時器的處理算法如下：
static void OSTmr_Task （void *p_arg）
{
for（;;）
{
等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權；
STmrTime = OSTmrTime+1，并對8 求余后得到對應的定時器輪項索引index;
for OSTmrWheelTbl［index］定時器輪中的每一個定時器ptmr，do
{
if （OSTmrTime == ptmr-》OSTmrMatch） {
執行ptmr 軟件定時器中的回調函數；
對于單次定時器，從定時器輪中刪除該時鐘；
對于周期性定時器，則重置該定時器的OSTmrMatch 值；
}
}
釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權；
}
}
2.3 μC/OS-II的定時器處理算法的效率分析
? ? ? ?采用上面的例子，對μC/OS-II的定時器處理算法效率進行一個簡單的分析：在下一次時鐘滴答，也就是時鐘滴答 6時，沒有定時器到期，而 for循環必須對每個時鐘進行檢查，類似的情況還發生在自時鐘到達 10以后的多個檢查中。根據系統中的定時器的數量，這種無謂的檢查將占用大量的 CPU時間。
3、對μC/OS-II的定時器管理算法的改進
3.1 改進以后的數據結構設計
對μC/OS-II的定時器管理算法進行改進的主要目標是：要么不對定時器進行檢查，要檢查則一定有定時器到期［2］。為了達到這個設計目標，需要對μC/OS-II的定時器輪進行重新設計。采用同樣的 OS_TMR數據結構和 OS_TMR_WHEEL定時器輪結構，但是，對定時器輪的每一個項的功能進行重新規劃：
（1）定時器輪的第 1項到第 7項，即 OSTmrWheelTbl［1］到 OSTmrWheelTbl［7］的定時器輪，分別表示將在此后的第 1個時鐘滴答到第 7個時鐘滴答將到期的定時器項，此時，每個定時器結構的 OSTmrMatch中的值表示需要經過多少個時鐘滴答該定時器項將到期。在同一個定時器輪中的多個定時器項通過 OSTmrNext和 OSTmrPrev指針構成雙向鏈表。
（2）定時器輪的第 0項，表示將至少需要經過 8個時鐘滴答才到期的定時器，并通過
OSTmrNext和 OSTmrPrev指針將這些定時器構成雙向鏈表。 針對上面的同一個例子，按照此規劃形成的新的定時器輪如圖 2所示：
3.2 改進的處理算法
對定時器的超時處理仍然在“uC/OS-II Tmr”任務中進行，該任務還是通過信號量OSTmrSemSignal來激活，因此，對于基于該接口調用的應用程序可以不做任何修改即可正常運行。基于新規劃的定時器輪，對定時器的處理算法如下：
static void OSTmr_Task （void *p_arg）
{
STmrTime = 0；
for（;;）
{
等待OSTmrSemSignal 信號量并獲得OSTmrWheelTbl 的訪問權；
STmrTime = OSTmrTime+1；
if （OSTmrTime 《 8）
{
for OSTmrWheelTbl［OSTmrTime］定時器輪中的每一個定時器ptmr，do
{
執行ptmr 軟件定時器中的回調函數；
對于單次定時器，從定時器輪中刪除該定時器；
對于周期性定時器，則重置該定時器的OSTmrMatch 值；
}
}
else // STmrTime == 8
{
for OSTmrWheelTbl［0］定時器輪中的每一個定時器ptmr，do
{
ptmr-》OSTmrMatch = ptmr-》OSTmrMatch – 8;//已經經過了8 個時鐘滴答；
if （ptmr-》OSTmrMatch == 0） //到期定時值正好是8 的倍數
{
執行ptmr 軟件定時器中的回調函數；
對于單次時鐘，從定時器輪中刪除該定時器；
對于周期性時鐘重置該定時器的OSTmrMatch 值；
continue;
}
if （ptmr-》OSTmrMatch 《 8） //少于8 個ticks 將到期的定時器
{
根據ptmr-》OSTmrMatch 的值將ptmr 插入到相應的OSTmrWheelTbl
定時器輪中；
}
}
STmrTime = 0； //重新計數滴答；
}
釋放對OSTmrWheelTbl 的訪問權；
}
}
3.3改進的處理算法的效率分析
通過對改進以后的算法進行分析可以發現：在每一個時鐘滴答，如果對應的定時器輪的OSTmrFirst指針不為NULL，則在該時鐘滴答有到期的定時器，需要調用對應的回調函數。通過對定時器輪進行重新規劃，避免了不必要的定時器到期檢查，從而可節省 CPU時間，提高了運行效率。
4、結束語
針對本文提出的改進算法，本文在基于 ARM7核的 LPC2210為 MCU的開發板 ［3］［4］上對改進以后的處理算法進行了測試，測試中建立了 1000個軟件定時器，在其他負載相同的情況下，通過μC/OS-II的統計任務對 CPU的使用率進行了統計分析，統計發現 CPU的負載率降低了約9%。
工商網監
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