uClinux进程调度器的实现分析

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　　摘要：针对操作系统中进程的调度机制，依次对其调度方式、调度策略、调度时机进行了分析，并结合uClinux中进程调度实现的核心源代码，剖析了uClinux中进程调度器的实现原理，展示了uClinux中独具特色的进程调度机制。
　　关键词：uClinux；调度策略；进程调度器
　　0. 引言
　　uClinux是针对控制领域的嵌入式Linux操作系统，它从Linux 2.0/2.4内核派生而来，沿袭了Linux的绝大部分特性，适合不具备内存管理单元（MMU）的微处理器或微控制器，现已经广泛应用于各种不同的微处理器平台上。因此，对uClinux操作系统核心模块的设计进行分析对于应用系统设计具有重要的现实意义。uClinux作为支持多任务的操作系统，进程调度是其重要的组成部分，本文就uClinux进程调度器的设计实现进行分析。重点讨论了uClinux的进程调度机制，主要包括调度方式、调度策略、调度时机、调度算法这四个方面。
　　1. uClinux进程的调度方式［1］
　　uClinux中每个进程的task_struct结构中有四项：policy、priority、counter、rt_priority，
　　它们是调度程序运行时在所有可运行状态的进程中选择调度的依据。其中，policy是进程调度策略，用来区分实时进程和非实时进程；priority是进程（包括实时进程和非实时进程）的静态优先级；counter是进程剩余的时间片，它的起始值就是priority的值，另外counter还以看作是进程的动态优先级，用于计算处于可运行状态的进程值得运行的程度goodness；rt_priority是实时进程特有的，用于实时进程间的选择。［1］
　　其进程调度过程可简要概述如下：首先，uClinux根据policy从整体上区分实时进程和非实时进程，其中，实时进程先于非实时进程运行，对于同一类型的不同进程，采用不同的标准来选择，对于非实时进程，uClinux根据进程counter的大小采用动态优先调度；对于实时进程，uClinux采用先来先服务调度（FIFO）和时间片轮转调度（RR）两种调度方法。
　　2. uClinux进程的调度策略
　　在uClinux操作系统中，进程的调度策略是由task_struct结构成员policy所选择的，它的值为下述三种之一，即SCHED_FIFO（先来先服务调度），SCHED_RR（时间片轮转调度）
　　和SCHED_OTHER（非实时调度）。
　　SCHED_FIFO遵循POSIX1.b标准的调度规则：CPU一直运行，直到有一个进程因I/O阻塞，或者主动释放CPU，或者是CPU被另一个更高rt_priority的实时进程抢占，进程只有当时间片用完时才能被迫释放CPU。
　　SCHED_RR也遵循POSIX1.b标准的调度规则：与SCHED_FIFO类似，当进程的时间片用完后，调度程序就将其加到SCHED_RR队列的末尾。对于该调度策略只要系统中有一个实时进程在运行，则任何SCHED_OTHER进程都不能在任何CPU上运行。一个进程从创建到任务完成后终止，可能需要经历多次反馈循环。
　　SCHED_OTHER是传统的unix调度策略，适合于交互式的分时进程。这类非实时进程的优先权取决于两个因素：一个因素是进程剩余时间配额，如果进程用完了配给的时间，则相应优先权为0；如果进程未用完时间片，则剩余时间参与其动态优先级的计算。另一个因素是进程的优先数nice，即优先数越小，优先级越高。
　　如果系统中有实时进程处于就绪状态，则非实时进程就不能被调度运行，直至所有实时进程都完成了，非实时进程才有机会占用CPU。
　　3. uClinux进程的调度时机
　　通过分析进程调度器的源代码，可以发现uCLinux以五种方式转入到schedule（）处理函数进行进程调度［2］。
　　（1） 进程状态转换时。当进程要调用sleep（ ）或pause（ ）等函数使进程状态发生改变时，这些函数会主动调用schedule（）转入进程调度。
　　（2） 进程终止时，永久放弃对CPU的使用。
　　（3） 通过时钟中断。uClinux初始化时，设定系统定时器的周期为10ms。当时钟中断发生时，时钟中断服务程序timer_interrupt立即调用时钟处理函数do_timer（ ），该函数会调用mark_bh，将bh_active标志的TIMER_BH置1，接着uClinux会在时钟中断服务程序中通过代码片段
　　If（ bh_active & bh_mask）
　　{ intr_count =1；
　　do_bottom_half（）；
　　intr_count = 0；
　　}
　　来判断此时是否有bottom_half服务要处理，若有则执行do_bottom_half（）。该函数
　　会调用时钟响应函数timer_bh（ ），分别由updates_times（ ）、run_old_timers（ ）和run_timer_list（ ）检查、执行调用服务。Update_times（ ）又调用update_process_times（ ）函数调整进程的时间片，当时间片小于0时，need_resched（ 需要重调度）标志会被置位。当时钟中断处理完毕后，系统会返回到入口ret_from_intr，ret_with_reschedule处，判断need_resched 标志是否置位，若是则转入执行schedule（ ）。