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[導(dǎo)讀]一種μC/OS-II任務(wù)調(diào)度硬件指令的實(shí)現(xiàn)

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),包含了實(shí)時(shí)內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步(信號(hào)量,郵箱,消息 隊(duì)列)和內(nèi)存管理等功能。它可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立工作,互不干涉,很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行,使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易,使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為減化。

1 μC/OS-II的任務(wù)調(diào)度算法分析

1.1 μC/OS-II任務(wù)就緒表的解讀

μC/OS操作系統(tǒng)采用優(yōu)先級至上的任務(wù)調(diào)度原則,讓進(jìn)入就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的那個(gè)任務(wù),一進(jìn)入就緒態(tài)就能立即運(yùn)行。μC/OS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種巧妙的查表算法,利用這種算法能快速實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度原則。如何從任務(wù)就緒表中,查找優(yōu)先級最高的那個(gè)任務(wù)?歸結(jié)起來:

兩個(gè)變量(OSrdyGrp、OSRdyTb1[])和兩張表(OSMapTb1[]、OSUnMaTb1[])。

μC/OS操作系統(tǒng)可支持64個(gè)任務(wù),每個(gè)任務(wù)被賦予不同的優(yōu)先級——從0級到最低優(yōu)先級OS_LOWEST_PRIO,最末兩個(gè)為操作系統(tǒng)所用,分別為統(tǒng)計(jì)任務(wù)和空閑任務(wù)的優(yōu)先級。μC/OS-II任務(wù)就緒表如圖1所示。判斷任務(wù)就緒同樣根據(jù)OSRdyTb1[]和OSRdyGrp兩個(gè)變量來完成:OSR-dyTb1[]按任務(wù)優(yōu)先級分成8組(即每一組8個(gè)任務(wù)優(yōu)先級),當(dāng)任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí),對應(yīng)的位為1,反之則為0;OSRdyTb1口組中任何一位為1時(shí),對應(yīng)的OSRdyGrp位置1。

圖1 μC/OS-II任務(wù)就緒表

使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)和脫離就緒狀態(tài),都是通過OSRdyTb1[]和OSRdyGrp這兩個(gè)變量來查找OSMapTb1[]表完成的:

①進(jìn)入就緒狀態(tài)。

任務(wù)優(yōu)先級的低3位用于確定任務(wù)在總就緒表OSRdyTb1[]中的位置。緊接著前面的3位用于確定是OSRclyTb1[]數(shù)組的第幾個(gè)元素,兩個(gè)變量都置1。

②脫離就緒狀態(tài)。

代碼將就緒任務(wù)表數(shù)組OSRdyTb1[]中相應(yīng)元素的相應(yīng)位清0,而只有當(dāng)這一組中的所有任務(wù)都為脫離就緒態(tài)時(shí),OSRdyGrp變量才會(huì)為0。

1.2 高優(yōu)先級任務(wù)的查找

從任務(wù)就緒表中查找最高優(yōu)先級任務(wù),即從OSRdyTb1[]變量中找到最低為1的位是第幾位(對應(yīng)的就是最高優(yōu)先級任務(wù))。μC/OS-II采用查表的方式來找出處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù),μC/OS-II中有一張256個(gè)單元的數(shù)據(jù)表OSUnMapTb1[],表中按一定規(guī)律有128個(gè)O,64個(gè)1,32個(gè)2,16個(gè)3,8個(gè)4,4個(gè)5,2個(gè)6,1個(gè)7,還有1個(gè)0,共256字節(jié)。OSUnMapTb1[]的定義如下所示:

找出進(jìn)入就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)的代碼如下:

初看這張表感覺雜亂無章,實(shí)際是很有規(guī)律的。以“OSUnMapTb1[0]~OSUnMapTb1[15]:0,0,1,0,2,0,1,0,3,0,1,0,2,0,1,0,/*0x00~0x0F*/”為例說明:

其他依次類推。

下面再以一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明:假設(shè)變量OSRdyGrp=01011000B,表示變量OSRdyTb1[3]、OSRdyTb1[4]、OSRdyTb1[6]有任務(wù)處于就緒狀態(tài),任務(wù)調(diào)度是去查找最高優(yōu)先級任務(wù)(y=OSUnMapTb1[0x58])。由于OSRdyTb1[3]>OSRdyTb1[4]>OSRdyTb1[6],結(jié)果y=3。如果OSRdyTb1[3]=1000 0001B,則通過查表x=OS-UnMapTb1[OSRdyTb1[3]],即可得到x=O,表明這組數(shù)中第0位為1處于最優(yōu)狀態(tài)。這樣,prio=(y《3)+x=(3《3)+0=24。再利用這個(gè)優(yōu)先級的值,查找任務(wù)控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTb1[],得到指向任務(wù)的任務(wù)控制塊OS_TCB。

2 Cortex-M3中μC/OS-II任務(wù)調(diào)度的硬件實(shí)現(xiàn)

Cortex-M3采用精簡指令集,采用Thumb-2指令,其中包括基于RTOS的硬件算法指令(CLZ),可以通過這種指令查找處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)。μC/OS-II中任務(wù)的就緒態(tài)是反映在OSRdyTb1[]變量中,共計(jì)8字節(jié)(64位),對應(yīng)64個(gè)任務(wù)。可以將其折分成兩個(gè)32位的數(shù)據(jù),然后分別查找這兩個(gè)32位的數(shù)據(jù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)。先查找低32位,如果低32位中不為零,則找出其中最高優(yōu)先級任務(wù);否則查找高32位,找出其中最高優(yōu)先級任務(wù),高32位的的查找結(jié)果應(yīng)加上數(shù)值32。

Cotrex-M3中通過以下兩條指令就可完成最高優(yōu)先級任務(wù)的定位:RBIT和CLZ。RBIT的含義是把一個(gè)32位數(shù)據(jù)水平旋轉(zhuǎn)180°;CLZ的含義是計(jì)算前導(dǎo)零的個(gè)數(shù)。

假設(shè)在OSRdyTb1[]的低32位數(shù)據(jù)中,00000000000000000000000000001100B表示優(yōu)先級為2的任務(wù)和優(yōu)先級為3的任務(wù)處于就緒態(tài),現(xiàn)在要通過指令RBIT和CLZ找出優(yōu)先級為2的任務(wù)并調(diào)度運(yùn)行。運(yùn)行RBIT后數(shù)據(jù)變?yōu)椋?0110000000000000000000000000000000000。運(yùn)行CLZ后計(jì)算出前導(dǎo)零的個(gè)數(shù)為2,表明優(yōu)先級為2的任務(wù)處于最高就緒態(tài)。

μC/OS-II中的任務(wù)調(diào)度是通過查兩次表完成最高優(yōu)先級任務(wù)的查找,方法如下:

上述代碼在MDK4.12軟件中測試,系統(tǒng)時(shí)鐘采用8 MHz,按照此方法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度可節(jié)省0.5μs,同時(shí)還減少了用來存放OSUnMapTb1[]的256字節(jié)的空間,縮短了代碼運(yùn)行時(shí)間,提高了CPU的利用率。此方法在μC/OS-II的任務(wù)通信中也同樣適用。在此不再贅述。

結(jié)語

本文主要對μC/OS-II中的任務(wù)調(diào)度算法作了分析,特別闡述了OSUnMapTb1[]表是如何構(gòu)成的,同時(shí)介紹了基于ARM Cortex-M3處理器平臺(tái)的μC/OS-II的任務(wù)調(diào)度硬件實(shí)現(xiàn)方法,簡化了μC/OS-II代碼,提高了處理器的性能。

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