PIC24 tnkernel:ref:mutex

TNKernel : Мютексы

2008-07-21T01:41:38+03:00

TNKernel : Мютексы

Введение

Мютекс - это объект RTOS, предназначенный для обеспечения конкурентного доступа к общим ресурсам. Мютекс представляет собой двоичный семафор с дополнительными свойствами (например, протоколы обхода неограниченной инверсии приоритетов).

Мютекс может находится в двух состояниях: заблокированном и разблокированном. Ассоциировав мютекс с аппаратным или программным ресурсом приложения, можно обеспечить корректный доступ к ресурсам из нескольких задач - если задача попытается получить доступ к заблокированному ресурсу, она будет переведена в состояние ожидания, но получит управление сразу же после того как ресурс будет разблокирован.

Часто возникает вопрос - а зачем вообще нужно блокировать ресурсы? Все дело в принципе работы вытесняющих RTOS - задача может быть прервана (вытеснена) в любой момент времени. Если в этот момент она использует некий системный ресурс (например, UART), а задача, которая вытеснила текущую так же начнет с ним работать - возникнет закономерный конфликт.

Инверсия приоритетов

С блокировкой ресурсов тесно связано понятие инверсии приоритетов:

Допустим в системе существуют две задачи с низким (А) и высоким (Б) приоритетом. В момент времени T1 задача (А) блокирует ресурс и начинает его обслуживать. В момент времени T2 задача (Б) вытесняет низкоприоритетную задачу (А) и пытается завладеть ресурсом в момент времени T3. Но так как ресурс заблокирован, задача (Б) переводится в ожидание, а задача (А) продолжает выполнение. В момент времени Т4 задача (А) завершает обслуживание ресурса и разблокирует его. Так как ресурс ожидает задача (Б), она тут же начинает выполнение.

Временной промежуток (T4-T3) называют ограниченной инверсией приоритетов. В этом промежутке наблюдается логическое несоответствие с правилами планирования - задача с более высоким приоритетом находится в ожидании в то время как низкоприоритетная задача выполняется.

Но это еще не самое страшное. Допустим в системе работают три задачи: низкоприоритетная (А), со средними приоритетом (Б) и высокоприоритетная (В):

Если ресурс заблокирован задачей (А), а он требуется задаче (В), то наблюдается та же ситуация - высокоприоритетная задача блокируется. Но допустим, что задача (Б) вытеснила (А), после того как (В) ушла в ожидание ресурса. Задача (Б) ничего не знает о конфликте, поэтому может выполняться сколь угодно долго на промежутке времени (T5-T4). Кроме того, кроме (Б) в системе могут быть и другие задачи, с приоритетами больше (А), но меньше (Б). Поэтому длительность периода (T6-T3) в общем случае неопределена. Такую ситуацию называют неограниченной инверсией приоритетов.

Ограниченной инверсии приоритетов в общем случае избежать невозможно, однако она не так опасна для системы, как неограниченная. Для того чтобы избежать неограниченной инверсии приоритетов, используются два протокола изменения приоритетов задач:

Протокол наследования приоритета (Priority inheritance protocol)
Протокол увеличения приоритета (Priority ceiling protocol)

Протокол наследования приоритета

Допустим в системе существуют две задачи с низким (А) и высоким (Б) приоритетом:

В момент T2 задача (Б) вытесняет низкоприоритетную задачу (А) и затем в момент времени T3 пытается захватить заблокированный (А) ресурс.

Протокол наследования приоритета состоит в том, что приоритет задачи (А) повышается до приоритета задачи (Б) в момент времени T3, то есть когда (Б) пытается захватить заблокированный ресурс. Таким образом задачи с приоритетом больше (А) но меньше (Б) не могут реализовать неограниченную инверсию, и задача (Б) получит ресурс сразу после того как (А) его разблокирует.

После того как задача (А) разблокирует ресурс, ее приоритет понижается до исходного.

Протокол увеличения приоритета

Протокол увеличения приоритета основан на том факте, что на момент проектирования известны все задачи, которым требуется определенный ресурс, а так же известны приоритеты этих задач. В этом случае ресурсу (мютексу) можно назначить определенное свойство - максимальный приоритет из всех задач, которые могут его заблокировать (потолок).

Допустим в системе существуют три задачи с низким (А), средним (Б) и высоким (В) приоритетом, которые могут заблокировать один ресурс:

В момент времени T3, когда задача (Б) пытается захватить заблокированный (А) ресурс, приоритет (А) повышается до приоритета задачи (В), т.е. до максимального приоритета из всех задач, которые могут владеть ресурсом. Как только задача (А) освобождает ресурс в момент времени T4, ее приоритет понижается до исходного, а приоритет задачи (Б), ожидавшей ресурс повышается до (В).

Таким образом, при использовании протокола увеличения приоритета, задача, захватившая ресурс всегда имеет наивысший приоритет из группы задач, которые могут этим ресурсом владеть. Это позволяет не только избавиться от неограниченной инверсии приоритетов, но и не допустить взаимных блокировок.

Взаимная блокировка

Взаимная блокировка - это аварийное состояние системы, которое может возникать при вложенности блокировок ресурсов. Допустим в системе существуют две задачи с низким (А) и высоким (Б) приоритетом, которые используют два ресурса - X и Y:

В момент времени T1 задача (А) блокирует ресурс X. Затем в момент времени T2 задачу (А) вытесняет более приоритетная задача (Б), которая в момент времени T3 блокирует ресурс Y. Если задача (Б) попытается заблокировать ресурс X (T4) не освободив ресурс Y, то она будет переведена в состояние ожидания, а выполнение задачи (А) будет продолжено. Если в момент времени T5 задача (А) попытается заблокировать ресурс Y, не освободив X, возникнет состояние взаимной блокировки - ни одна из задач (А) и (Б) не сможет получить управление.

Взаимная блокировка возможна только если в системе используются вложенный конкурентный доступ к ресурсам. Взаимной блокировки можно избежать, если не использовать вложенность, или если ресурс использует протокол увеличения приоритета.

Структура управления мютексом

В TNKernel реализованы мютексы как с протоколом наследования приоритета, так и с протоколом увеличения приоритета.

Протокол наследования приоритета более простой и быстрый, но не позволяет избежать взаимной блокировки. Поэтому для таких мютексов не рекомендуется использовать вложенный доступ. Протокол увеличения приоритета требует больше временных ресурсов и обеспечивает отсутствие взаимной блокировки.

Каждый мютекс ассоциируется со структурой управления:

typedef struct _TN_MUTEX_S
{
    CDLL_QUEUE_S        wait_queue;
    CDLL_QUEUE_S        mutex_queue;
    CDLL_QUEUE_S        lock_mutex_queue;
    TN_UWORD            attr;
 
    TN_TCB_S          * holder;
    TN_UWORD            ceil_priority;
    TN_WORD             cnt;
    TN_OBJ_ID           id_mutex;
} TN_MUTEX_S;

В состав структуры мютекса входят следующие элементы:

`wait_queue`	Очередь задач, ожидающих освобождение мютекса
`mutex_queue`	Элемент списка заблокированных задачей мютексов
`lock_mutex_queue`	Системная очередь заблокированных мютексов
`attr`	Атрибут (тип обхода инверсии приоритетов) мютекса
`holder`	Указатель на TCB задачи, блокирующей мютекс
`ceil_priority`	Максимальный приоритет из задач, которые могут использовать ресурс (требуется для протокола увеличения приоритета)
`cnt`	Зарезервировано
`id_mutex`	Поле идентификации объекта как мютекса

Структура мютекса доступна только при определении TN_DEBUG. Тем не менее, прямой доступ к элементам структуры мютекса крайне не рекомендуется, так как это является вмешательством в работу планировщика и других сервисов RTOS.

Сервисы управления мютексами

TNKernel имеет следующий набор функций (сервисов) для управления мютексами:

Сервис	Описание	Свойства
Создание и удаление мютекса
tn_mutex_create()	Создание мютекса
tn_mutex_delete()	Удаление мютекса
Блокировка мютекса
tn_mutex_lock()	Блокировка мютекса
tn_mutex_lock_polling()	Попытка блокировки мютекса без блокировки задачи
Освобождение мютекса
tn_mutex_unlock()	Освобождение мютекса

tn_mutex_create()

2008-06-19T17:47:55+03:00

tn_mutex_create()

Функция предназначена для создания мютекса. Поле id_mutex структуры mutex должно быть равно нулю до момента создания мютекса. Таким образом уже созданные мютексы защищаются от повторного создания.

Память для управляющей структуры mutex должна быть выделена до момента создания мютекса. Память может быть выделена на этапе компиляции (объявление глобальной переменной типа TN_MUTEX), либо динамически, если пользовательское приложение использует менеджер памяти.

Параметр attribute указывает тип протокола обхода инверсии приоритетов: TN_MUTEX_ATTR_CEILING - если используется протокол увеличения приоритета или TN_MUTEX_ATTR_INHERIT, если используется протокол наследования приоритета.

Если параметр attribute равен TN_MUTEX_ATTR_CEILING, необходимо указать параметр ceil_priority - максимальный приоритет из задач, который могут владеть мютексом. Если же используется протокол наследования приоритета, то параметр ceil_priority игнорируется.

Вызов:

TN_RETVAL tn_mutex_create(TN_MUTEX *mutex, TN_UWORD attribute, TN_UWORD ceil_priority);

Разрешен вызов:

В контексте задачи, в прерывании, в пользовательской критической секции

Параметры функции:

mutex

указатель на структуру мютекса типа TN_MUTEX. Структура должна быть создана до момента вызова функции, статически или динамически

attribute

тип протокола обхода инверсии приоритетов, используемый мютексом. Параметр может принимать одно из двух значений:

`TN_MUTEX_ATTR_CEILING`	Используется протокол увеличения приоритета
`TN_MUTEX_ATTR_INHERIT`	Используется протокол наследования приоритета

ceil_priority

максимальный приоритет из всех задач, которые могут владеть мютексом. Допустим, мютексом могут владеть задачи с приоритетом 3, 4, 9 и 2. Максимальный приоритет - 2. Параметр игнорируется, если attribute = TN_MUTEX_ATTR_INHERIT

Возвращаемые значения:

TERR_WRONG_PARAM: некорректное значение параметра (замечание: данный код возврата возможен только в случае использования сервисов с проверкой параметров)
TERR_EXS: попытка создания мютекса, который уже создан
TERR_NO_ERR: успешное выполнение

Пример вызова:

TN_MUTEX mutex_test;
 
/* Создается мютекс с протоколом увеличения приоритета.
   Максимальный приоритет из задач, которые используют мютекс равен 2
 */
 
tn_mutex_create(&mutex_test, TN_MUTEX_ATTR_CEILING, 2);

К списку сервисов

tn_mutex_delete()

2008-06-19T17:59:21+03:00

tn_mutex_delete()

Функция предназначена для удаления мютекса. Поле id_mutex структуры mutex после выполнения сервиса устанавливается в 0. Приоритет задачи, владеющий мютексом будет восстановлен, если он был изменен вследствие протокола обхода инверсии приоритетов.

Задача владеющая мютексом никак не будет извещена о его удалении, однако, сервис освобождения мютекса вернет код ошибки TERR_DLT. Все задачи, ожидающие освобождения мютекса будут переведены в состояние RUNNABLE.

Вызов:

TN_RETVAL tn_mutex_delete(TN_MUTEX *mutex);

Разрешен вызов:

В контексте задачи

Параметры функции:

mutex: указатель на структуру удаляемого мютекса

Возвращаемые значения:

TERR_WRONG_PARAM: некорректное значение параметра (замечание: данный код возврата возможен только в случае использования сервисов с проверкой параметров)
TERR_WCONTEXT: вызов сервиса в обработчике системного прерывания или в пользовательской критической секции
TERR_NOEXS: попытка удаления несуществующего мютекса
TERR_NO_ERR: успешное выполнение

Пример вызова:

extern TN_MUTEX mutex_test;
 
tn_mutex_delete(&mutex_test);

К списку сервисов

tn_mutex_lock()

2008-06-19T18:26:25+03:00

tn_mutex_lock()

Функция предназначена для блокировки мютекса. Если мютекс еще не заблокирован, он блокируется и задача, которая вызвала сервис не переводится в состояние ожидания. Если мютекс заблокирован, задача переводится в состояние WAITING и ставится в очередь задач, ожидающих освобождение мютекса.

Параметр timeout задает время ожидания мютекса в системных тиках. Если в течении этого времени мютекс не будет захвачен задачей, она удаляется из очереди ожидающих и переводится в состояние готовых к выполнению. Если значение параметра timeout равно TN_WAIT_INFINITE, то задача будет ожидать мютекс до тех пор, пока он не освободиться.

Если задача заблокировала мютекс ранее, сервис возвращает код ошибки TERR_ILUSE. Так же этот код возвращается в том случае, если задача пытается блокировать мютекс с протоколом увеличения приоритета (Priority Ceiling Protocol) и ее приоритет выше порога, заданного при создании мютекса.

Вызов:

TN_RETVAL tn_mutex_lock(TN_MUTEX *mutex, TN_TIMEOUT timeout);

Разрешен вызов:

В контексте задачи

Параметры функции:

mutex: указатель на структуру блокируемого мютекса
timeout: таймаут в течении которого задача ожидает освобождения мютекса

Возвращаемые значения:

TERR_WRONG_PARAM: некорректное значение параметра (замечание: данный код возврата возможен только в случае использования сервисов с проверкой параметров)
TERR_NOEXS: попытка блокировки несуществующего мютекса
TERR_WCONTEXT: попытка блокировки мютекса из обработчика прерывания или пользовательской критической секции
TERR_ILUSE: мютекс уже заблокирован задачей, вызвавшей сервис; мютекс использует протокол увеличения приоритета, а задача, пытающаяся заблокировать его имеет приоритет выше порогового
TERR_TIMEOUT: выход из сервиса по таймауту
TERR_NO_ERR: успешное выполнение

Пример вызова:

TN_MUTEX mutex_test;
 
tn_mutex_lock(&mutex_test, 10);

К списку сервисов

tn_mutex_lock_polling()

2008-06-19T18:29:49+03:00

tn_mutex_lock_polling()

Функция предназначена для захвата мютекса без блокировки задачи. Если мютекс еще не заблокирован, он блокируется. Если мютекс заблокирован, сервис возвращает код ошибки TERR_TIMEOUT.

Вызов:

TN_RETVAL tn_mutex_lock_polling(TN_MUTEX *mutex);

Разрешен вызов:

В контексте задачи

Параметры функции:

mutex: указатель на структуру блокируемого мютекса

Возвращаемые значения:

TERR_WRONG_PARAM: некорректное значение параметра (замечание: данный код возврата возможен только в случае использования сервисов с проверкой параметров)
TERR_NOEXS: попытка блокировки несуществующего мютекса
TERR_WCONTEXT: попытка блокировки мютекса из обработчика прерывания или пользовательской критической секции
TERR_ILUSE: мютекс уже заблокирован задачей, вызвавшей сервис; мютекс использует протокол увеличения приоритета, а задача, пытающаяся заблокировать его имеет приоритет выше порогового
TERR_TIMEOUT: мютекс уже заблокирован другой задачей
TERR_NO_ERR: успешное выполнение

Пример вызова:

TN_MUTEX mutex_test;
 
if (tn_mutex_lock_polling(&mutex_test) == TERR_NO_ERR)
{
    /* успешная попытка блокировки мютекса */
}

К списку сервисов

tn_mutex_unlock()

2008-06-19T18:39:30+03:00

tn_mutex_unlock()

Функция предназначена для освобождения мютекса. Если есть задачи, ожидающие мютекс, то задача, стоящая первая в очереди, переводится в состояние готовой к выполнению, а ее приоритет может измениться согласно протоколу обхода инверсии приоритетов.

Если задача, вызвавшая сервис, пытается разблокировать свободный мютекс, сервис возвращает код ошибки TERR_ILUSE.

Текущая задача после освобождения мютекса может изменить приоритет согласно протоколу обхода инверсии приоритетов.

Вызов:

TN_RETVAL tn_mutex_unlock(TN_MUTEX *mutex);

Разрешен вызов:

В контексте задачи

Параметры функции:

mutex: указатель на структуру освобождаемого мютекса

Возвращаемые значения:

TERR_WRONG_PARAM: некорректное значение параметра (замечание: данный код возврата возможен только в случае использования сервисов с проверкой параметров)
TERR_NOEXS: попытка освобождения несуществующего мютекса
TERR_WCONTEXT: попытка освобождения мютекса из обработчика прерывания или пользовательской критической секции
TERR_ILUSE: мютекс уже освобожден
TERR_NO_ERR: успешное выполнение

Пример вызова:

TN_MUTEX mutex_test;
 
tn_mutex_unlock(&mutex_test);

К списку сервисов