基于ARM Cortex-M3處理器平臺(tái)的μC／OS-II任務(wù)調(diào)度硬件實(shí)現(xiàn)

μC/OS-II 是一種基于優(yōu)先級(jí)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(wú)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(guò)程大為減化。
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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(jí)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(jí)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(jí)最高的那個(gè)任務(wù)？歸結(jié)起來(lái)：

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(jí)——從0級(jí)到最低優(yōu)先級(jí)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(jí)。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(lái)完成：OSR-dyTb1[]按任務(wù)優(yōu)先級(jí)分成8組（即每一組8個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)），當(dāng)任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的位為1，反之則為0；OSRdyTb1口組中任何一位為1時(shí)，對(duì)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(guò)OSRdyTb1[]和OSRdyGrp這兩個(gè)變量來(lái)查找OSMapTb1[]表完成的：

①進(jìn)入就緒狀態(tài)。

任務(wù)優(yōu)先級(jí)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。
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1.2 高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的查找

從任務(wù)就緒表中查找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，即從OSRdyTb1[]變量中找到最低為1的位是第幾位（對(duì)應(yīng)的就是最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)）。μC／OS-II采用查表的方式來(lái)找出處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)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(jí)任務(wù)的代碼如下：

初看這張表感覺雜亂無(wú)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(shuō)明：

其他依次類推。

下面再以一個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)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(jí)任務(wù)（y=OSUnMapTb1[0x58]）。由于SRdyTb1[3]>OSRdyTb1[4]>OSRdyTb1[6]，結(jié)果y=3。如果OSRdyTb1[3]=1000 0001B，則通過(guò)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(jí)的值，查找任務(wù)控制塊優(yōu)先級(jí)表OSTCBPrioTb1[]，得到指向任務(wù)的任務(wù)控制塊OS_TCB。
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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(jiǎn)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(guò)這種指令查找處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)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(duì)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(jí)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(jí)任務(wù)；否則查找高32位，找出其中最高優(yōu)先級(jí)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(guò)以下兩條指令就可完成最高優(yōu)先級(jí)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(jí)為2的任務(wù)和優(yōu)先級(jí)為3的任務(wù)處于就緒態(tài)，現(xiàn)在要通過(guò)指令RBIT和CLZ找出優(yōu)先級(jí)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?br /> 00110000000000000000000000000000000000。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(jí)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(guò)查兩次表完成最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的查找，方法如下：

上述代碼在MDK4.12軟件中測(cè)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(lái)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。
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結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)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(jiǎn)化了μC／OS-II的代碼，提高了處理器的性能。