μC/OSII具有小巧、性能穩定、開源等眾多優點，并且μC/OSII大部分用ANSI C語言編寫，系統的移植非常容易。在μC/OSII I2.81及以后的版本中[2]，加入了對軟件定時器的支持，使得μC/OSII操作系統更加完善。
μC/OSII是一種基于優先級的搶占式操作系統，實時性很強。而系統中軟件定時器沒有優先級，回調函數順序執行，這樣就降低了系統的實時性。因此，本文對軟件定時器進行改進，定時器中加入優先級，回調函數按優先級執行，從而提高系統的實時性。
1 對軟件定時器的介紹
μC/OSII系統中的時間管理功能包括任務延時與軟件定時器，而軟件定時器的主要作用是，對函數周期性或者一次性執行的定時，利用軟件定時器控制塊與“定時器輪”管理軟件定時器。定時器控制塊的結構如同任務控制塊，創建一個定時器時，從空閑定時器控制塊鏈表中得到一個空閑控制塊，并對其賦值。
軟件定時器也需要一個時鐘節拍驅動，而這個驅動一般是硬件實現的，一般使用μC/OSII操作系統中任務延時的時鐘節拍來驅動軟件定時器。每個時鐘節拍OSTmrCtr（全局變量，初始值為0）增1， 當OSTmrCtr的值等于為OS_TICKS_PER_SEC /OS_TMR_CFG_TICKS_PER_SEC（此兩者的商決定軟件定時器的頻率）時，調用函數OSTmrSignal（），此函數發送信號量OSTmrSemSignal（初始值為0，決定軟件定時器掃描任務OSTmr_Task的運行）。也就是說，對定時器的處理不在時鐘節拍中斷函數中進行，而是以發生信號量的方式激活任務OSTmr_Task（具有很高的優先級）。任務OSTmr_Task對定時器進行檢測處理，包括定時器定時完成的判斷、回調函數的執行。
μC/OSII 2.86中與軟件定時器相關的函數包括：
① 軟件定時器內部靜態函數。獲取與釋放定時器控制塊函數OSTmr_Alloc（）、OSTmr_Free（）；定時器插入相應“時間輪”組函數OSTmr_Link（）；從相應“時間輪”組中刪除定時器函數OSTmr_Unlink（）；軟件定時器任務初始化函數OSTmr_InitTask（）；定時器掃描任務OSTmr_Task；定時器上鎖與解鎖函數OSTmr_Lock（）與OSTmr_Unlock（）（在μC/OSII 2.91中，此兩函數被任務調度鎖定與解鎖函數代替）。
② 定時器外部接口函數。定時器創建與刪除函數OSTmrCreate（）、OSTmrDel（）；定時器啟動與停止函數OSTmrStart（）、OSTmrStop（）；定時器剩余時間與當前狀態查詢函數OSTmrRemainGet（）、OSTmrStateGet（）；軟件定時器的初始化OSTmr_Init（）；發送信號量OSTmrSemSignal函數OSTmrSignal（）；定時器名稱查詢函數OSTmrNameGet（）。
由于軟件定時器的回調函數的執行都是在任務OSTmr_Task中執行，如果多個定時器同時定時完成，則在定時器任務中執行多個定時器的回調函數，因此定時器任務的執行時間不確定。而且定時器回調函數是順序執行的，如果某個定時器回調函數需要盡快執行以實現精確定時，就難以實現了。由于各個定時器沒有優先級，因此了影響系統的實時性。
2 對軟件定時器的改進
為提高軟件定時器回調函數執行的實時性，給每個定時器賦予一個優先級。當定時完成時，并且定時器的回調函數不為空，則把定時器的優先級寫于軟件定時器就緒表中。任務OSTmr_Task對相應“時間輪”檢查結束后，如果在掃描各個定時器前軟件定時器就緒表為零而掃描之后不為零，則發送信號量激活回調函數任務OSTmr_TaskCallback。在此任務中，回調函數根據軟件定時器就緒表中的優先級執行相應的回調函數，這樣就提高了系統的實時性。
2.1 對軟件定時器相關數據結構改進
① 定義結構體OS_TMR_CALL，存儲定時器的回調函數、函數的參數、定時器指針，形式如下：
typedefstructos_tmr_call {
OS_TMR_CALLBACKOSTmrCallback; /*回調函數*/
void *OSTmrCallbackArg;/*回調函數指針*/
OS_TMR *OSTmr; /*定時器指針*/
} OS_TMR_CALL;
在頭文件ucos_ii.h中，定義OSTmrCallbackTbl[OS_TMR_CFG_MAX]，OS_TMR_CFG_MAX表示系統中配置的軟件定時器數量。
② 在軟件定時器控制塊中加入成員變量OSTmrPrio（定時器優先級），刪去變量OSTmrCallback（回調函數）、OSTmrCallbackArg（回調函數參數），為了測試的方便，可暫不刪除這兩個變量。
③ 定義定時器就緒表：
INT8UOSTmrRdyGrp；
INT8UOSTmrRdyTbl[OS_TMR_CFG_MAX/8 + 1]；
當定時器定時完成時，把定時器優先級寫入就緒表，回調函數任務根據優先級執行回調函數。
④ 定義信號量OSTmrSemCallback（初始值0 ），當定時完成后，發送此信號量，激活回調函數任務，以執行回調函數。
2.2 與軟件定時器相關的函數函數與任務的改進
2.2.1 軟件定時器創建函數OSTmrCreate
在創建函數OSTmrCreate的參數中加入優先級參數prio。調用創建函數時，對定時器控制塊中的成員變量賦值，并給回調函數數組的相應單元賦值，形式如下：
OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmrCallback = callback;
OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmrCallbackArg = callback_arg;
OSTmrCallbackTbl [prio].OSTmr = ptmr;
2.2.2 對定時器任務OSTmr_Task的改進
當有定時器定時完成，把定時器優先級寫入軟件定時器就緒表中，并根據就緒表前后的值判斷時候發送信號量OSTmrSemSignal，以激活回調函數任務。任務OSTmr_Task的流程如圖1所示。
圖1 OSTmr_Task的流程
把定時器優先級寫入定時器就緒表的代碼如下所示：
if （OSTmrTime == ptmr>OSTmrMatch） {
prio = ptmr>OSTmrPrio;
pfnct =OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;
if （pfnct != （OS_TMR_CALLBACK）0） { /*加入定時器回調函數就緒表*/
OSTmrRdyGrp|= （INT8U）（1 《 （INT8U）（prio 》 0x03））；
OSTmrRdyTbl[prio >> 0x03]|= （INT8U）（1 《 （INT8U）（prio & 0x07））；
}
}
2.2.3 對定時器停止函數OSTmrStop（）的修改
函數OSTmrStop只需修改與回調函數執行相關的部分即可，例如，case OS_TMR_OPT_CALLBACK_ARG: 部分的代碼如下：
case OS_TMR_OPT_CALLBACK_ARG:
prio = ptmr>OSTmrPrio;
pfnct = OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;
if （pfnct != （OS_TMR_CALLBACK）0） {
……/*prio加入定時器就緒表*/
OSTmrCall[prio].OSTmrCallbackArg =（void *）callback_arg;
OSSemPost（OSTmrSemCallback）； /*發送回調函數執行信號量*/
}else {
*perr = OS_ERR_TMR_NO_CALLBACK;
}
而case OS_TMR_OPT_CALLBACK:部分的代碼同上，只是回調函數的參數不需要重新賦值。
2.2.4 回調函數任務OSTmr_TaskCallback（）
在源文件tmr.c中加入回調函數任務OSTmr_TaskCallback（），根據定時器就緒表中的優先級執行相應回調函數，回調函數任務的結構如下所示：
static voidOSTmr_TaskCallback（void *p_arg） {……/*變量定義*/
for （；；）{//請求信號量OSTmrSemCallback
OSSemPend（OSTmrSemCallback, 0, &err）；
OSTmr_Lock（）；/*定時器上鎖*/
while （OSTmrRdyGrp） {
……/*從定時器就緒表中得到最高優先級的定時器回調函數*/
……/*刪除就緒表中的占有位*/
OSTmr_Unlock（）； /*定時器上鎖*/
pfnct = OSTmrCall[prio].OSTmrCallback;
（*pfnct）（（void *）（OSTmrCall[prio].OSTmr），OSTmrCall[prio].OSTmrCallbackArg）； /*執行回調函數*/
OSTmr_Lock（）； /*定時器上鎖*/
}
OSTmr_Unlock（）；/*定時器解鎖*/
}
}
由以上代碼可知，訪問就緒表時定時器上鎖，而執行回調函數時處于定時器解鎖狀態。如果回調函數執行時間較長，在下一個軟件定時器節拍到來時，定時器掃描任務可以得到及時的執行，當前回調函數執行完成后，可以及時得執行就緒表中最高優先級定時器的回調函數。由此可以看出，高優先級定時器的回調函數得到及時執行，系統的實時性提高。
實驗測試發現，在回調函數任務OSTmr_TaskCallback中，使用任務調度上鎖與解鎖比使用定時器上鎖與解鎖（即信號量的請求）執行速度快一些。畢竟回調函數任務的優先級很高（一般僅次于定時器掃描任務OSTmr_Task的優先級），所以使用任務調度鎖定比定時器鎖定要好一些。當然，還可以使用開關中斷的方式對就緒表進行訪問，可以根據實際情況選擇使用哪種方式。
3 實驗測試
本次實驗使用軟件開發環境IAR 5.30，以基于CortexM3內核的路虎LPC1768開發板作為硬件實驗平臺[6]，對實時操作系統μC/OSII 2.86進行改進。
對改進后的操作系統進行測試，在主函數中創建一個啟動任務，在啟動任務中創建4個周期定時器（系統中“時間輪”數設為4），賦予不同優先級與定時值，每個定時器控制一個LED的閃爍，啟動這4個定時器。在啟動函數中創建4個任務，每個任務也是控制一個LED燈的閃爍（利用任務延時），之后啟動任務掛起。利用μC/OSII CSPY插件觀察各定時器的運行情況，如圖2所示。
圖2 軟件定時器運行界面
經實驗測試，系統運行正常，定時器回調函數得到及時的執行，系統實時性得到很大的提高。
4 結語
軟件定時器改進后，定時器任務的執行時間確定，僅與同時完成定時的定時器數目有關，對處于就緒表中的定時器回調函數按優先級執行，使高優先級定時器的回調函數得到及時的執行，提高了系統的實時性。