μC/OS－ll中任務(wù)調(diào)度算法的改進(jìn)

摘  要：介紹μC／OS—II嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析單一的基于優(yōu)先級調(diào)度算法存在的不足。根據(jù)嵌入式應(yīng)用不同的實(shí)時性要求，將應(yīng)用劃分為實(shí)時任務(wù)、分時任務(wù)和后臺任務(wù)三種類型。針對分時任務(wù)，新增加時間片調(diào)度算法，給出調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)方法，同時增加任務(wù)創(chuàng)建和銷毀的接口；降低基于μC／OS—1I操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)難度和設(shè)計成本，有利于該操作系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：μC／OS—II  嵌入式系統(tǒng)  任務(wù)調(diào)度算法  時間片調(diào)度

引  言

    目前，操作系統(tǒng)內(nèi)核的軟件中，μC，0S-II稱得上是小型實(shí)時操作系統(tǒng)。它由Jean J．Labrosse于1992年推出第l版，立刻在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域引起強(qiáng)烈反響。μC／OS II是一個基于搶占式的實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性。它最鮮明特點(diǎn)就是源碼公開，便于移植和維護(hù)，而且對于學(xué)校研究完全免費(fèi)，只有在應(yīng)用于盈利項(xiàng)目時才需要支付少量的版權(quán)費(fèi)，特別適合一般使用者的學(xué)習(xí)、研究和開發(fā)。自問世以來，其穩(wěn)定性和可靠性得到了廣泛的認(rèn)可，現(xiàn)已經(jīng)通過美國FAA認(rèn)證。在嵌入式領(lǐng)域，μc／OS憑借優(yōu)越特性得到了越來越廣泛的應(yīng)用，眾多的研究開發(fā)者將其作為操作系統(tǒng)的樣板，移植到各種硬件平臺，其外圍的應(yīng)用也越來越多。

1 μC／0S在嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用中存在的問題

隨著移動通信、信息家電以及工業(yè)控制等領(lǐng)域的快速發(fā)展，嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)迎來了極佳的發(fā)展時機(jī)。強(qiáng)勁的市場需求帶來了研發(fā)的快速增長，越來越多的軟件公司投入到嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)中。但另一方面，大部分軟件公司卻缺乏嵌入式操作系統(tǒng)這個嵌入式產(chǎn)品的核心技術(shù)，無法提供給各種應(yīng)用多任務(wù)等現(xiàn)代操作系統(tǒng)所必備的功能，極大地限制了產(chǎn)品的性能和發(fā)展。μC／OS具有源碼公開，商業(yè)授權(quán)費(fèi)極低等特點(diǎn)，成為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的一種選擇。

    μC／OS—II在設(shè)計時強(qiáng)調(diào)實(shí)時性。它采用單一的基于優(yōu)先級的搶先式調(diào)度算法，有效地保證了實(shí)時性的要求。在各種嵌入式操作系統(tǒng)中，其任務(wù)切換帶來的時延窗口很小。非常適合強(qiáng)實(shí)時性的任務(wù)要求，但是對于大部分周期性和實(shí)時性要求不高的任務(wù)來說，μC／O一II還存在一些不足：

    ①缺乏時間片調(diào)度，低優(yōu)先級的任務(wù)很難得到執(zhí)行。μC／OS—II不支持時間片調(diào)度，優(yōu)先級高的任務(wù)如果不主動放棄CPU，低優(yōu)先級任務(wù)永遠(yuǎn)都不可能運(yùn)行。這對于那些分別編寫，但叉可能同時運(yùn)行的任務(wù)來說，只能通過任務(wù)之間的同步等動作來完成交替運(yùn)行。這不但增加了編程難度，而且破壞了模塊的獨(dú)立性。

    ②任務(wù)創(chuàng)建和銷毀的接口復(fù)雜。μC／OS—ll的上層軟件開發(fā)需要關(guān)心底層具體實(shí)現(xiàn)，接口比較復(fù)雜。對于經(jīng)驗(yàn)不多的程序員來說，第一，創(chuàng)建任務(wù)時需要用戶自行指定優(yōu)先級。這必然牽涉到如何管理分配優(yōu)先級的問題。第二，μC／OS—II中任務(wù)的棧空間完全由用戶管理，系統(tǒng)只是簡單地要求用戶創(chuàng)建任務(wù)時傳人棧地址，而不參與棧空間的申請和釋放。為了簡化μC／OS的示例程序，更是簡單地以靜態(tài)數(shù)組作為任務(wù)棧。?？臻g的放任自流在帶來一定靈活性的同時也會帶來問題的隱患。第三，因?yàn)棣?/SPAN>C／OS—II規(guī)定任務(wù)必須為無限循環(huán)或自銷毀形式，所以其任務(wù)在結(jié)束時，需要手工調(diào)用OSTaskDel，使該任務(wù)進(jìn)入睡眠態(tài)，不能簡單地返回。與現(xiàn)在流行的大多數(shù)操作系統(tǒng)用法差異較大。

    結(jié)合國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，從程序員素質(zhì)和應(yīng)用程序的實(shí)時性分類，在數(shù)量上都呈現(xiàn)金字塔狀；而且往往是高級程序員負(fù)責(zé)開發(fā)實(shí)時應(yīng)用，普通程序員開發(fā)非實(shí)時應(yīng)用。如果希望能在包括數(shù)目龐大的非實(shí)時應(yīng)用的產(chǎn)品中利用μC／OS—II，則必須對它作出擴(kuò)充，在保留實(shí)時任務(wù)支持的前提下，增添時間片調(diào)度，并對任務(wù)的接口作出簡化處理。

2 μC／OS調(diào)度算法的改進(jìn)

μC／OS中的每個任務(wù)具有一個任務(wù)控制塊0S_TCB，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執(zhí)行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)的堆棧指針、任務(wù)的相關(guān)事件控制塊指針等。內(nèi)核將系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表中進(jìn)行標(biāo)注，通過就緒表中的兩個變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]可快速查找系統(tǒng)中就緒的任務(wù)。在μC／OS—II中每個任務(wù)有唯一的優(yōu)先級，因此任務(wù)的優(yōu)先級也是任務(wù)的唯一標(biāo)識。內(nèi)核可用控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]通過任務(wù)的優(yōu)先級查到任務(wù)控制塊的地址。μC／OS—II主要就是利用任務(wù)控制快OS_TCB、就緒表和控制塊優(yōu)先級表0STCBPrioTbl[]來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。任務(wù)調(diào)度程序OSSched()首先由就緒表中找到當(dāng)前系統(tǒng)中處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后根據(jù)其優(yōu)先級由控制塊優(yōu)先級表0STCBPrioTbl[]取得相應(yīng)任務(wù)控制塊的地址，由OS_TASK—SW()程序進(jìn)行運(yùn)行環(huán)境的切換。若在任務(wù)運(yùn)行時發(fā)生中斷，則轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷程序，執(zhí)行完畢后不是簡單地返回中斷調(diào)用處，而是由OSIntExit()程序進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，執(zhí)行當(dāng)前系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)。

    本文擬在不破壞μC／OS實(shí)時性的前提下，增加時間片調(diào)度，以適于非實(shí)時性場合，并參考Windows和Linux多種通用操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)用接口函數(shù)，對μC／0S任務(wù)接口作出改進(jìn)，提供通用簡單的編程接口,降低應(yīng)用軟件開發(fā)難度，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2.1  時間片調(diào)度算法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

μC／OS中共有64個任務(wù)，其中作者保留了8個任務(wù)以備將來使用，因此用戶可以有多達(dá)56個應(yīng)用任務(wù)。將這些任務(wù)劃分為3個層次，如圖l所示。

    實(shí)時任務(wù)保留原本設(shè)計的絕對優(yōu)先級調(diào)度，對系統(tǒng)驅(qū)動或通信等實(shí)時性要求高的場合提供支持，任務(wù)的創(chuàng)建接口保持不變，由高級程序員編寫相應(yīng)程序；在分時任務(wù)空間采用時間片調(diào)度，各種任務(wù)輪流執(zhí)行，適用于事務(wù)性處理或?qū)崟r性要求不高的場合，普通程序員在此區(qū)間內(nèi)編寫任務(wù)，并對此空間任務(wù)的創(chuàng)建和銷毀提供了新的編程接口，使之適合普通程序員的編程習(xí)慣；后臺任務(wù)是指idle任務(wù)、統(tǒng)計任務(wù)等在系統(tǒng)空閑時運(yùn)行的任務(wù)，其在實(shí)時任務(wù)和分時任務(wù)都沒有就緒時才有機(jī)會運(yùn)行，此區(qū)間也采用絕對優(yōu)先級調(diào)度。

    分時任務(wù)在μC／OS原先的五種狀態(tài)中添加了等待態(tài)，定義為OS_STAT_WAITSLICE，表示正在等待時間片的重新產(chǎn)生。增添新狀態(tài)后的狀態(tài)遷移如圖2所示。

    其中睡眠態(tài)(dormant)異于多數(shù)操作系統(tǒng)的定義，是指任務(wù)駐留在程序空間之中，還沒有交給μC／OS—II管理。所有任務(wù)開始于睡眠態(tài)，通過調(diào)用任務(wù)創(chuàng)立函數(shù)把任務(wù)交給μC／0S—II。當(dāng)任務(wù)一旦建立，就進(jìn)入就緒態(tài)準(zhǔn)備運(yùn)行。在任務(wù)銷毀時，可以通過調(diào)用OSTaskDel()返回到睡眠態(tài)。其余阻塞態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)和中斷態(tài)較常見，這里不再詳述，可以參考文獻(xiàn)[1]第3章。

  
     圖2中，如果處于運(yùn)行態(tài)的任務(wù)時間片消耗完畢，則該任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)  如果全部分時任務(wù)都進(jìn)入等待狀態(tài)，則系統(tǒng)會為其全部重新分配時間片，并使它們都返回就緒態(tài)。除此之外，其余狀態(tài)關(guān)系與μC／0S—Il相同。

     為了實(shí)現(xiàn)分時任務(wù)時間片調(diào)度算法，首先在OS_TCB結(jié)構(gòu)中添加OSTCBTimeSlices，以存儲任務(wù)剩余的時間片數(shù)；同時定義OS-NORMAL_PRIO_START和OS_NOR-MAL_PRIO_START，表示分時任務(wù)區(qū)間的大??；還必須修改μC／0S的時鐘服務(wù)程序，即函數(shù)OSTimeTick()，來處理與時鐘相關(guān)的任務(wù)狀態(tài)。修改后處理流程如圖3所示。

    圖3中，模塊②之前的流程與在μC／()S—II中幾乎完全相同，主要負(fù)責(zé)對所有任務(wù)時延值的處理。模塊②判斷處于就緒態(tài)的分時任務(wù)是否時間片用完，如是，則將其設(shè)置為等待態(tài)。模塊③查出就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)。如果低于分時任務(wù)區(qū)間，說明沒有分時任務(wù)或所有的分時任務(wù)都處于等待態(tài)，此時為所有的分時任務(wù)重新分配新的時間片，并將其變更為就緒態(tài)。模塊④中，如果當(dāng)前任務(wù)是分時任務(wù)，則說明該任務(wù)已經(jīng)消耗了一個時間片，將該任務(wù)時間片減1。

    從改進(jìn)后的處理流程可以看出，實(shí)時任務(wù)優(yōu)先級高，調(diào)度不受影響，不會進(jìn)入新加入的部分；分時任務(wù)在運(yùn)行態(tài)時，其時間片會不停減少，直到剩余時間片為零，則進(jìn)入等待態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)的所有分時任務(wù)都進(jìn)入了等待態(tài)，則對在等待態(tài)的分時任務(wù)重新計算剩余時間片，并把它們都設(shè)為就緒態(tài)，則新的一輪分時任務(wù)交替運(yùn)行又開始了。所有的后臺任務(wù)的調(diào)度也不受影響。

    OSTimeTick處理十分頻繁，必須盡可能地減少運(yùn)算開銷，改進(jìn)方案對其增加分時任務(wù)的處理。在有實(shí)時任務(wù)運(yùn)行時，延時基本沒有增加；只有在所有分時任務(wù)都進(jìn)入等待態(tài)后，才會有較大的計算量，經(jīng)試驗(yàn)效果良好。

2.2 任務(wù)接口的改進(jìn)

為了簡化應(yīng)用編程接口，屏蔽低層任務(wù)管理細(xì)節(jié)，為用戶提供新的任務(wù)接口OSNTaskCreate和OSNTaskDel。0SNTaskCreate用于創(chuàng)建分時任務(wù)，該函數(shù)在分時區(qū)間自動分配優(yōu)先級，代替用戶申請棧空間，并在初始化棧內(nèi)容時壓人OSNTaskDel地址。在用戶任務(wù)退出后，就會自動調(diào)用()SNTaskDel，以釋放?？臻g，并調(diào)用()STaskDel。如此更符合用戶在Windows等系統(tǒng)的情況，任務(wù)結(jié)束后只是簡單返回，減小了錯誤出現(xiàn)的機(jī)會。改進(jìn)后的OSNTaskCreate偽碼如下：

INT8U()SNTaskCreate(任務(wù)地址pThead，參數(shù)pData，棧大小dwStackSize){在分時區(qū)間分配優(yōu)先級；

if(區(qū)間已滿)

設(shè)置錯誤碼并退出；

if(dwStackSize為零)

dwStackSize為缺省大小；

分配?？臻g并記人TCB；

初始化棧空間()SNewTaskStklnit();

調(diào)用0S_TCBInit初始化TCB；

if(成功)

  調(diào)度0S_Sched()；

設(shè)置錯誤碼并退出；

}

    優(yōu)先級和?？臻g分配算法較簡單，這里不再詳述。新的OSNewTaskStklnit初始化?？臻g函數(shù)在x86平臺上修改前后形成的棧內(nèi)容如圖4所示。

結(jié)  語

    本文對μC／0S—II的調(diào)度算法作了改進(jìn)，劃分了實(shí)時任務(wù)、分時任務(wù)和后臺任務(wù)；并對任務(wù)的用戶接口進(jìn)行了改善，使之更加方便易用。以上方法已成功應(yīng)用在好易通系列電子產(chǎn)品的開發(fā)中，對μC／OS—II在嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用和推廣中具有廣泛意義。