搶占式內(nèi)核和非搶占式內(nèi)核的內(nèi)容

操作系統(tǒng)分為搶占式內(nèi)核和非搶占式內(nèi)核，通常RTOS都是搶占式內(nèi)核。

下面就來講講搶占式內(nèi)核和非搶占式內(nèi)核的內(nèi)容。

非搶占式內(nèi)核

非搶占式內(nèi)核要求每個(gè)任務(wù)（線程）都做一些事情來明確放棄對(duì) CPU 的控制，為了保持多任務(wù)并發(fā)的錯(cuò)覺，必須要有這一步操作。

非搶占式調(diào)度也稱為協(xié)作多任務(wù)，任務(wù)相互協(xié)作以共享 CPU，異步事件仍然由 ISR 處理。ISR 可以使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)準(zhǔn)備好運(yùn)行，但 ISR 總是返回到被中斷的任務(wù)。

只有當(dāng)當(dāng)前任務(wù)放棄 CPU 時(shí)，新的更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)才會(huì)獲得對(duì) CPU 的控制。

非搶占式內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)之一是中斷延遲更低，在任務(wù)級(jí)別，非搶占內(nèi)核也可以使用不可重入函數(shù)。每個(gè)任務(wù)都可以使用不可重入函數(shù)，而不必?fù)?dān)心被另一個(gè)任務(wù)破壞。這是因?yàn)槊總€(gè)任務(wù)都可以在放棄 CPU 之前運(yùn)行到完成。但是，不應(yīng)允許不可重入函數(shù)放棄對(duì) CPU 的控制。 使用非搶占式內(nèi)核的任務(wù)級(jí)響應(yīng)可能比前臺(tái)/后臺(tái)系統(tǒng)低得多，因?yàn)槿蝿?wù)級(jí)響應(yīng)現(xiàn)在由最長任務(wù)的時(shí)間給出。 非搶占式內(nèi)核的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較少需要通過使用信號(hào)量來保護(hù)共享數(shù)據(jù)。每個(gè)任務(wù)都擁有 CPU，你不必?fù)?dān)心任務(wù)會(huì)被搶占。當(dāng)然，這不是絕對(duì)的，在某些情況下，仍應(yīng)使用信號(hào)量。共享 I/O 設(shè)備可能仍需要使用互斥信號(hào)量；例如，任務(wù)可能仍需要對(duì)打印機(jī)的獨(dú)占訪問。

(1) 任務(wù)正在執(zhí)行但被中斷。 (2) 如果中斷被使能，CPU 向量（跳轉(zhuǎn)）到 ISR。 (3) ISR 處理事件并使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)準(zhǔn)備好運(yùn)行。 (4) ISR完成后，執(zhí)行返回指令，CPU返回被中斷的任務(wù)。 (5) 任務(wù)代碼在中斷指令之后的指令處恢復(fù)。 (6) 當(dāng)任務(wù)代碼完成時(shí)，它調(diào)用內(nèi)核提供的服務(wù)，將 CPU 交給另一個(gè)任務(wù)。 (7) 內(nèi)核看到更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行，因此，內(nèi)核執(zhí)行上下文切換，以便它可以運(yùn)行（即執(zhí)行）更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來處理由 ISR 發(fā)出信號(hào)的事件。

非搶占式內(nèi)核最重要的缺點(diǎn)是響應(yīng)性：已準(zhǔn)備好運(yùn)行的較高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可能需要等待很長時(shí)間才能運(yùn)行，因?yàn)楫?dāng)前任務(wù)應(yīng)該及時(shí)放棄CPU使用權(quán)。 與前臺(tái)/后臺(tái)系統(tǒng)中的后臺(tái)執(zhí)行一樣，非搶占式內(nèi)核中的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間是不確定的；你永遠(yuǎn)不知道最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)何時(shí)才能獲得 CPU 的控制權(quán)。這個(gè)操作由你的應(yīng)用程序來決定怎么時(shí)候放棄對(duì) CPU 的控制。 總而言之，非搶占式內(nèi)核允許每個(gè)任務(wù)運(yùn)行，直到它自愿放棄對(duì) CPU 的控制。中斷搶占任務(wù)，ISR 完成后，ISR 返回到被中斷的任務(wù)。任務(wù)級(jí)響應(yīng)比前臺(tái)/后臺(tái)系統(tǒng)要好得多，但仍然是不確定的，因此，很少有商業(yè)內(nèi)核是非搶占式的。

搶占式內(nèi)核

μC/OS、RTT等大多數(shù)實(shí)時(shí)內(nèi)核都是搶占式的，準(zhǔn)備運(yùn)行的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)始終被賦予 CPU 控制權(quán)。

當(dāng)一個(gè)任務(wù)使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)準(zhǔn)備好運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前任務(wù)被搶占（掛起）并且更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)立即獲得 CPU 的控制權(quán)。

如果 ISR 使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)準(zhǔn)備就緒，當(dāng) ISR 完成時(shí)，被中斷的任務(wù)被掛起并恢復(fù)新的更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。

(1) 任務(wù)正在執(zhí)行但被中斷。 (2) 如果中斷被使能，CPU 向量（跳轉(zhuǎn)）到 ISR。 (3) ISR 處理事件并使更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)準(zhǔn)備好運(yùn)行。ISR 完成后，調(diào)用內(nèi)核提供的服務(wù)（即調(diào)用內(nèi)核提供的函數(shù)）。 (4) & (5) 該函數(shù)知道一個(gè)更重要的任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好運(yùn)行，因此內(nèi)核將執(zhí)行上下文切換并執(zhí)行更重要的代碼而不是返回到被中斷的任務(wù)任務(wù)。當(dāng)更重要的任務(wù)完成時(shí)，內(nèi)核提供的另一個(gè)函數(shù)被調(diào)用，讓任務(wù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待事件（即 ISR）發(fā)生。 (6) & (7) 然后內(nèi)核“看到”需要執(zhí)行一個(gè)較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，并完成另一個(gè)上下文切換以恢復(fù)被中斷任務(wù)的執(zhí)行。

使用搶占式內(nèi)核，最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行是確定性的；你可以確定它何時(shí)可以控制 CPU。因此，通過使用搶占式內(nèi)核可以最大限度地減少任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間。 使用搶占式內(nèi)核的應(yīng)用程序代碼不應(yīng)使用不可重入函數(shù)，除非通過使用互斥信號(hào)量確保對(duì)這些函數(shù)的獨(dú)占訪問，因?yàn)榈蛢?yōu)先級(jí)和高優(yōu)先級(jí)任務(wù)都可以使用公共函數(shù)。如果較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占正在使用該功能的較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，則可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)損壞。 總而言之，搶占式內(nèi)核始終執(zhí)行準(zhǔn)備運(yùn)行的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。中斷搶占任務(wù)，完成 ISR 后，內(nèi)核將繼續(xù)執(zhí)行準(zhǔn)備運(yùn)行的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)（而不是被中斷的任務(wù)）。任務(wù)級(jí)別的響應(yīng)是最佳的和確定性的，當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)性很重要時(shí)，建議使用搶占式內(nèi)核。

審核編輯 ：李倩