摘 要： 在深入分析嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的任務(wù)調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，提出一種在確保其內(nèi)核性能且調(diào)度時(shí)間可確定的前提下增大支持任務(wù)數(shù)的改進(jìn)方案，使該內(nèi)核可應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： μC/OS-Ⅱ；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；任務(wù)調(diào)度；任務(wù)優(yōu)先級(jí)；就緒表
μC/OS-Ⅱ是一款源代碼開放的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，具有可移植性強(qiáng)、可裁剪、可固化、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。作為一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度算法效率高，任務(wù)切換速度快。該內(nèi)核工作穩(wěn)定可靠，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并顯示出了強(qiáng)大的功能和巨大的商業(yè)價(jià)值。該內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，適合中小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性高和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)核最小可編譯至2 KB。
另外，雖然μC/OS-Ⅱ內(nèi)核非常優(yōu)秀，但根據(jù)實(shí)際需求仍有一些地方有待改進(jìn)，如任務(wù)數(shù)目的限制等問題。μC/OS-Ⅱ目前版本最多僅支持64個(gè)任務(wù)，而且其中有8個(gè)要保留供系統(tǒng)使用，所以最多有56個(gè)任務(wù)可供用戶使用。隨著應(yīng)用系統(tǒng)日益復(fù)雜，如此有限的任務(wù)數(shù)必將限制其廣泛應(yīng)用，為了使其可應(yīng)用于更復(fù)雜的系統(tǒng)，必須對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行改進(jìn)。
1 μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度簡介
μC/OS-Ⅱ中的任務(wù)通常是一個(gè)無限循環(huán)，其任務(wù)狀態(tài)有五種：休眠態(tài)、運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、等待態(tài)和掛起態(tài)。作為一個(gè)搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，μC/OS-Ⅱ僅支持按任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行切換，不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等其他調(diào)度方式，它總是運(yùn)行進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。μC/OS-Ⅱ中以任務(wù)的優(yōu)先級(jí)作為任務(wù)標(biāo)識(shí)，相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)將無法區(qū)分，也就是說，μC/OS-Ⅱ不支持重復(fù)優(yōu)先級(jí)。因此，μC/OS-Ⅱ內(nèi)核中任務(wù)調(diào)度的主要工作就是查找出進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，并進(jìn)行上下文切換。這里所花費(fèi)的時(shí)間主要有：(1)查找最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)時(shí)間；(2)任務(wù)上下文切換時(shí)間。其中，任務(wù)上下文切換時(shí)間是與處理器相關(guān)的，操作系統(tǒng)無法控制。因此，要想提高任務(wù)調(diào)度效率，主要考慮如何提高查找最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)的效率。
實(shí)時(shí)性是實(shí)時(shí)系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)之一。操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)在：當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒時(shí)，操作系統(tǒng)盡快將此任務(wù)調(diào)度到CPU執(zhí)行。μC/OS-Ⅱ巧妙地通過構(gòu)造一張就緒表，并使用查表法來實(shí)現(xiàn)對(duì)最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)的查找，這樣可保證查找時(shí)間與應(yīng)用程序中的任務(wù)數(shù)無關(guān)，確保查找時(shí)間的確定性，從而保證內(nèi)核的實(shí)時(shí)性并提高任務(wù)切換效率。
2 μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度算法分析
2.1 就緒表結(jié)構(gòu)
μC/OS-Ⅱ內(nèi)核采用任務(wù)的優(yōu)先級(jí)作為任務(wù)標(biāo)識(shí)，通過查找就緒表實(shí)現(xiàn)對(duì)就緒任務(wù)的管理。這種巧妙的設(shè)計(jì)能夠保證任務(wù)調(diào)度的效率和任務(wù)調(diào)度時(shí)對(duì)最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)的查找時(shí)間的確定性。
如圖1所示的就緒表中有兩個(gè)變量OSRdyGrp(8 bit，每bit代表一組）和OSRdyTbl[8]（數(shù)組中每個(gè)bit代表一個(gè)優(yōu)先級(jí))，如果某個(gè)任務(wù)就緒，就將就緒表中相應(yīng)位置1。為了提高任務(wù)切換效率，μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度算法采取分級(jí)查詢的方法。考慮到任務(wù)數(shù)不超過64，可以用6 bit(26=64)來表示，μC/OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分組，優(yōu)先級(jí)的高三位決定任務(wù)在就緒表的第幾組，而低三位用于確定在該組的第幾位。這樣便形成了的二級(jí)查詢，先選組，再選組內(nèi)偏移，這樣可大大提高查詢效率。
2.2 使一個(gè)任務(wù)進(jìn)入或退出就緒態(tài)
如果要使優(yōu)先級(jí)為22的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，優(yōu)先級(jí)22用二進(jìn)制表示為0b00010110，其高3位和低3位分別為010和110。由就緒表的定義可知，優(yōu)先級(jí)為22的任務(wù)在就緒表的第2組第6位，要使其進(jìn)入就緒態(tài)，只需將OSRdyGrp的第2位和OSRdyTbl[]的第6位分別置1即可。
為了便于對(duì)某一位進(jìn)行位操作，μC/OS-Ⅱ又建立了一個(gè)掩碼數(shù)組OSMapTbl[]（如表1，定義在OS_CORE.C文件中）。若要將第k位置位,只需同OSMapTbl[k]按位進(jìn)行與操作即可。通過如下算法可使一個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)（其中prio是任務(wù)的優(yōu)先級(jí)）：
INT8U const OSMapTbl[]={0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，
0x20，0x40，0x80}；
OSRdyGrp |=OSMapTbl[prio>>3]；
OSRdyTbl[prio>>3] |=OSMapTbl[prio & 0x07]；
在OSMapTbl[prio>>3]中，prio右移3位即prio/8，便可得到所在的組。用移位實(shí)現(xiàn)是為了提高程序效率，后面的prio<<3同樣如此；而OSMapTbl[prio & 0x07]中，prio & 0x07即只保留prio的低三位，這樣便可得到任務(wù)在該組中的位置。
從就緒任務(wù)列表中刪除一個(gè)任務(wù)則正好相反。對(duì)于OSRdyGrp，只有當(dāng)被刪除任務(wù)所在任務(wù)組中全組任務(wù)一個(gè)都沒有進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)，也就是說OSRdyTbl[prio>>3]所有的位都是零時(shí)，才將OSRdyGrp相應(yīng)位清零?？赏ㄟ^如下程序清單從就緒表中刪除一個(gè)任務(wù)：
if ((OSRdyTbl[prio>>3]&=～OSMapTbl[prio & 0x07])==0)
OSRdyGrp &=～OSMapTbl[prio>>3]；
2.3 查找最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)
就緒表建立后，如何高效地查找出最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)是任務(wù)調(diào)度的關(guān)鍵。優(yōu)先級(jí)越高的任務(wù)，其優(yōu)先級(jí)值越小，越在就緒表的右上方。因此，為了找出最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，只需對(duì)OSRdyGrp從右往左找到第一個(gè)為1的位，假設(shè)為第m位；再從該組OSRdyGrp[m]中，從右往左找到第一個(gè)為1的位，假設(shè)為第n位。即就緒表中的第m組第n個(gè)任務(wù)為最高優(yōu)先級(jí)的就行任務(wù)，組合一下，便得到了最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。該操作可通過一個(gè)while循環(huán)掃描整個(gè)就緒表實(shí)現(xiàn)，但隨著就緒表中就緒任務(wù)的數(shù)目不同，這樣做最多要查找64步，最少才需查找1步，顯然其查找時(shí)間是不確定的；而任務(wù)切換時(shí)間的不確定性讓系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性難以得到保證，這對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是致命的。為了解決這個(gè)問題，μC/OS-Ⅱ又建立了一個(gè)比較大的掩碼數(shù)組OSUnMapTbl[k]（定義在OS_CORE.C文件中），其下標(biāo)值范圍為k∈[0，255]，值域?yàn)閇0，7]。
這樣，通過如下算法可在保證查找時(shí)間確定的前提下，較快地查找出進(jìn)入就緒態(tài)的優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)：
y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp]；
x=OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]；
OSPrioHighRdy=(y<<3)+x；
以上查找算法和通過循環(huán)直接從就緒表查找相比，只需3行代碼便可實(shí)現(xiàn)對(duì)最高優(yōu)先級(jí)就緒任務(wù)的查找。
2.4 μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度算法
任務(wù)調(diào)度算法是μC/OS-Ⅱ中最主要的算法之一。該算法通過建立OSUnMapTbl[]和OSMapTbl[]兩張表，使任務(wù)切換執(zhí)行時(shí)間恒定，不隨任務(wù)數(shù)目變化，從而保證了系統(tǒng)的確定性和實(shí)時(shí)性。這里對(duì)μC/OS-Ⅱ的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行臆測，即“以空間換時(shí)間”。這點(diǎn)也可以從μC/OS-Ⅱ中存在眾多的全局變量看出，如OSRdyTbl[]、OSEventTabl[]、OSTCBTbl[]等。這種設(shè)計(jì)思想避免了動(dòng)態(tài)初始化。對(duì)于一個(gè)操作系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度十分頻繁，這一點(diǎn)空間相對(duì)其換取的寶貴CPU時(shí)間是微不足道的。
μC/OS-Ⅱ正是采用這種策略使其性能得到了大大的提升，這種處理方法也是μC/OS-Ⅱ任務(wù)管理效率如此之高的關(guān)鍵因素。
3 μC/OS-Ⅱ調(diào)度算法的改進(jìn)
μC/OS-Ⅱ目前的版本最多僅能支持64個(gè)任務(wù)， 除去保留系統(tǒng)使用的優(yōu)先級(jí)，最多只支持56個(gè)任務(wù)。隨著應(yīng)用系統(tǒng)日益復(fù)雜，如此有限的任務(wù)數(shù)必將限制其廣泛應(yīng)用。為了使其可應(yīng)用于更多更復(fù)雜的系統(tǒng)，必須對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行改進(jìn)，擴(kuò)展其可支持的任務(wù)數(shù)目。在對(duì)μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度算法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，下面將討論如何將其支持的任務(wù)數(shù)由64個(gè)擴(kuò)展為256個(gè)。
按μC/OS-Ⅱ原有思想不難想到直接將就緒表擴(kuò)展為16×16，但這樣做會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存消耗嚴(yán)重的問題。根據(jù)就緒表及數(shù)組OSUnMapTbl[]的定義，可推導(dǎo)出計(jì)算掩碼數(shù)組OSUnMapTbl[]大小的公式(其中MAX_TASK_NUM為內(nèi)核最大可支持任務(wù)數(shù))：
OSUnMapTblSize=2sqrt(MAX_TASK_NUM) (1)
由式(1)可知：當(dāng)系統(tǒng)最大支持任務(wù)數(shù)為64時(shí)，OSUnMapTbl[]數(shù)組元素個(gè)數(shù)為256個(gè)；而當(dāng)任務(wù)數(shù)增加到256時(shí)， OSUnMapTbl[]數(shù)組元素的個(gè)數(shù)卻指數(shù)級(jí)地增長到65 536個(gè)。這會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的問題：OSUnMapTbl[]是一個(gè)常駐內(nèi)存的全局?jǐn)?shù)組， 因此OSUnMapTbl[]數(shù)組的大小將直接決定系統(tǒng)對(duì)RAM的需求量。在32位的ARM處理器上，每個(gè)int型數(shù)占4 B(32 bit)，則當(dāng)任務(wù)數(shù)為64時(shí)，OSUnMapTbl[]數(shù)組僅消耗8 kB(256×32 bit)內(nèi)存；而當(dāng)任務(wù)數(shù)增加到256時(shí)，OSUnMapTbl[]這個(gè)常駐內(nèi)存的全局?jǐn)?shù)組將消耗掉2 MB(65 536×32 bit)內(nèi)存。顯然，一個(gè)普通的嵌入式設(shè)備是耗不起這么大的內(nèi)存的，任務(wù)調(diào)度時(shí)系統(tǒng)將會(huì)崩潰。因此，必須對(duì)原有調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)。
3.1 改進(jìn)的就緒表結(jié)構(gòu)
為了解決由于任務(wù)數(shù)增加引起的OSUnMapTbl[]數(shù)組大小指數(shù)級(jí)增長而導(dǎo)致內(nèi)存消耗過大問題，考慮對(duì)就緒表再多進(jìn)行一次索引。
任務(wù)數(shù)擴(kuò)展到256個(gè)時(shí)，將256個(gè)任務(wù)按優(yōu)先級(jí)分成4塊，每塊64個(gè)任務(wù)。為此，增加一個(gè)變量OSRdyIdx。改進(jìn)后的就緒表(如圖2)由OSRdyIdx、OSRdyGrp[p]、OSRdyTbl[p][q]（p∈[0，3]，q∈[0，7]）三個(gè)變量組成。其中，OSRdyIdx某一位置1，表示該塊中存在就緒任務(wù)；OSRdyGrp[p]數(shù)組的某一位置1則表示該組中存在就緒任務(wù)；而OSRdyTbl[p][q]的某一位置1，表示該優(yōu)先級(jí)所對(duì)應(yīng)的任務(wù)就緒。256個(gè)任務(wù)時(shí)改進(jìn)的就緒表結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
當(dāng)任務(wù)數(shù)擴(kuò)展到256個(gè)時(shí)， 任務(wù)的優(yōu)先級(jí)用二進(jìn)制表示如圖3。在改進(jìn)的就緒表結(jié)構(gòu)中，仍將μC/OS-Ⅱ的任務(wù)按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分組。由圖2可知，優(yōu)先級(jí)的最高兩位ZZ確定任務(wù)在就緒表中的哪一塊，即變量OSRdyIdx的第幾位為1； 中間三位YYY確定任務(wù)在就緒表某一塊的哪一組，即數(shù)組OSRdyGrp[p]的第幾位為1；而低3位XXX確定就緒任務(wù)在就緒表某一組的哪一位。這樣形成了的三級(jí)查詢，先選塊，再選組，最后再選組內(nèi)偏移。改進(jìn)就緒表結(jié)構(gòu)后，對(duì)OSMapTbl也要相應(yīng)擴(kuò)展。根據(jù)OSMapTbl[]數(shù)組的意義對(duì)其就緒擴(kuò)展，擴(kuò)展后的數(shù)組如表2。
3.2 對(duì)相關(guān)算法的改進(jìn)
3.2.1 使一個(gè)任務(wù)進(jìn)入或退出就緒態(tài)
與原有算法類似，任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)，需將就緒表中相應(yīng)位置1，即利用OSMapTbl[]將OSRdyIdx、OSRdyGrp[]和OSRdyTbl[][]數(shù)組中相應(yīng)位分別置位。改進(jìn)后使一個(gè)任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)的算法如下：
OSRdyIdx |=OSMapTbl[prio>>6]；
OSRdyGrp[prio>>6]|=OSMapTbl[(prio>>3)&0x07]
OSRdyTbl[prio>>6][(prio>>3)&0x07]|=OSMapTbl[prio & 0x07]；
相反，要從就緒表中刪除一個(gè)任務(wù)，只需將就緒表中相應(yīng)位清零。同理，要在任務(wù)所在塊所在組的所有任務(wù)都不在就緒態(tài)的情況下，才能將相應(yīng)的塊標(biāo)志和組標(biāo)志置0。改進(jìn)的使任務(wù)退出就緒態(tài)的算法如下：
if((OSRdyTbl[prio>>6][(prio>>3)&0x07] &=～OSMapTbl
[prio & 0x07])==0)
OSRdyGrp[prio>>6]&=～OSMapTbl[(prio>>3)&0x07])
if(OSRdyTbl[prio>>6]==0)
OSRdyIdx&=～OSMapTbl[prio>>6]；
3.2.2 從就緒態(tài)任務(wù)中查找優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)
為了保證查找已就緒任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高任務(wù)的時(shí)間確定，并提高查詢效率，同樣不能簡單地使用while循環(huán)實(shí)現(xiàn)。μC/OS-Ⅱ仍需構(gòu)造一個(gè)掩碼數(shù)組SUnMapTbl[]。改進(jìn)的就緒表以多進(jìn)行一次索引的方法，有效地解決了OSUnMapTbl[]表過大導(dǎo)致消耗大量內(nèi)存的問題，使掩碼數(shù)組的大小從65 536有效地減小到256，從而使這個(gè)常駐內(nèi)存的全局?jǐn)?shù)組內(nèi)存消耗量從2 MB減小到8 KB。
改進(jìn)后的就緒表(見圖2)中最后每張子表中仍然只有64個(gè)任務(wù)，因此，就緒表結(jié)構(gòu)改進(jìn)后掩碼表并不需要改變，仍與64個(gè)任務(wù)時(shí)相同號(hào)，見圖4。對(duì)于OSUnMapTbl[]掩碼表的構(gòu)造，由于該表比較大，不宜人工推算，可寫一個(gè)小程序生成，不難實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，構(gòu)造OSUnMapTbl[]表的代碼不在此列出。
就緒表構(gòu)造好后，通過如下算法，便可方便地找出進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)在就緒表中的位置，以便進(jìn)行任務(wù)切換。改進(jìn)的算法如下：
z=OSUnMapTbl[OSRdyIdx]；
y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp[z]]；
x=OSUnMapTbl[OSRdyTbl[z][y]]；
OSPrioHighRdy=(z<<6)+(y<<3)+x；
以上查找就緒表算法與直接通過while循環(huán)從就緒中查找法相對(duì)比，只需4行代碼就實(shí)現(xiàn)了最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)查找的過程，這樣時(shí)間復(fù)雜度從O(n3)降低到了O(1)，從而大大提高了任務(wù)調(diào)度效率,并且保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和確定性。
3.3 改進(jìn)方案測試及分析
本文提出的方案繼承了μC/OS-Ⅱ優(yōu)秀設(shè)計(jì)思想，在保證內(nèi)核性能和實(shí)時(shí)性的前提下，成功地將μC/OS-Ⅱ可支持的最大任務(wù)數(shù)由64個(gè)擴(kuò)展為256個(gè)，從而達(dá)到升級(jí)μC/OS-Ⅱ內(nèi)核的目的，使其可應(yīng)用于更多更復(fù)雜的系統(tǒng)。
該改進(jìn)方案有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)實(shí)現(xiàn)簡單。只需對(duì)就緒表結(jié)構(gòu)稍加改進(jìn)，并對(duì)調(diào)度算法相關(guān)部分作出相應(yīng)的修改。
(2)調(diào)度時(shí)間確定。引進(jìn)OSMapTbl[]、OSUnMapTbl[]兩張表能保證μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度時(shí)間的確定性,并降低時(shí)間復(fù)雜度和內(nèi)存消耗。
(3)保證實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)性是RTOS的生命，該改進(jìn)方案能保證重要任務(wù)總是優(yōu)先占有CPU。
(4)可擴(kuò)展性。如果還需擴(kuò)大任務(wù)數(shù)，可按改進(jìn)方案的思路進(jìn)一步改進(jìn)就緒表，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的需要；并可按該方案根據(jù)實(shí)際需要來定制任務(wù)數(shù)目，以更加有效地利用系統(tǒng)資源。
作為一個(gè)高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅱ必須有高效的任務(wù)調(diào)度算法作為支撐，任務(wù)調(diào)度算法是μC/OS-Ⅱ中最主要的算法之一。本文深入分析了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的任務(wù)調(diào)度算法，找出了其任務(wù)管理效率如此之高的關(guān)鍵原因，并在此基礎(chǔ)上提出了一種增大其支持任務(wù)數(shù)的改進(jìn)方案。該方案算法執(zhí)行時(shí)間確定，不隨實(shí)際任務(wù)數(shù)目變化，從而保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；且能保證內(nèi)存消耗，擴(kuò)展可支持任務(wù)數(shù)而不對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生太大的影響。利用本文提出的方案，用戶還可根據(jù)實(shí)際需要定制任務(wù)數(shù)，以更加有效地利用系統(tǒng)資源，并使μC/OS-Ⅱ能應(yīng)用在更多更復(fù)雜的場景。
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