μCOS-Ⅱ內核任務調度的實現(xiàn)

1、C/OS- 內核任務調度的實現(xiàn)趙二濤 ,楊春金武漢理工大學信息工程學院 ,武漢 (430063E-mail :摘 要 : 任務調度是一個實時操作系統(tǒng)的核心功能 , 關系到整個操作系統(tǒng)的性 能。 C /OS- 內核采用占先式調度方式 , 保證最高優(yōu)先級任務一旦進入就緒態(tài) , 就能立刻得到 CPU 的使用 權。本文結合 C /OS- 內核源代碼深入研究就緒態(tài)中 最高優(yōu)先級查找算法和任務調度原理 并給出實例加以分析。關鍵詞 :嵌入式實時操作系統(tǒng) , C /OS- ,任務調度,就緒表,優(yōu)先級中圖分類號 :TP316.21. 引言C /OS-是一個完整的 ,可移植、可固化、可剪裁的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它

2、 采用占 先式調度方式 ,即最高優(yōu)先級的任務一旦就緒 ,總能立刻得到 CPU 的使用權 , 從而保證系 統(tǒng)的實時性。在任務調度的過程中 , C /OS- 內核能快速、準確的從眾多的就緒態(tài)任務中 找出優(yōu)先 級最高的任務 , 減少系統(tǒng)的響應時間 , 保證系統(tǒng)的實時性。 本文首先介紹 與任務有關的概念 和有關任務調度重要的域 ,接著詳細分析 C /OS- 的最高優(yōu)先 級查找算法和任務調度原理 并結合實例加以說明。 在分析最高優(yōu)先級查找算法時 首先分析將任務置于就緒態(tài)的過程 , 這 樣更易于理解內核的查找算法。2. C/OS- 的任務調度2.1 C /OS-的任務2.1.1任務及任務狀態(tài)任務,也稱線程

3、 ,是一個簡單的應用程序。每個任務都被賦予一定的優(yōu)先級 ,并有 自己 的一套 CPU 寄存器和棧空間 1。實時應用程序的設計過程是如何把問題分 割成多個任務。 每個任務都是一個無限的循環(huán) , 都處在以下五種狀態(tài)之一 , 即休眠 態(tài)、 就緒態(tài)、 運行態(tài)、 掛起態(tài)和被中斷態(tài)。 1休眠態(tài) :相當于任務駐留在內存中 , 但并不能被多任務內核所調度 ; 2就緒態(tài):意味著任務已經(jīng)準備好 ,可以運行 ,但由于 該任務的優(yōu)先級比正在運行的任務 的優(yōu)先級低 ,還暫時不能運行 ; 3運行態(tài):指任務 掌握了 CPU 的使用權,正在運行中 ; 4 掛起態(tài):指任務在等待 ,等待某一事件的發(fā)生 ; 5 被中斷態(tài):指發(fā)生中

4、斷時 , CPU 提供相 應的中斷服務 ,原來正在運行的任務暫不能運 行,就進入了中斷態(tài)。2.1.2 任務控制塊 (OS_TCB任務控制塊是一個和任務息息相關的重要的結構體。 當任務的 CPU 使用權被 剝奪時, C /OS-用它來保存該任務的狀態(tài)。 當任務重新獲得 CPU 的使用權時 , 任務控制塊能確保任務 從被中斷的那一點絲毫不差的繼續(xù)執(zhí)行 2 。每個任務都擁 有自己獨立的任務控制塊 ,一旦任 務建立 ,與之相對應的任務控制塊就被賦值。任務控制塊結構體在 uCOS_II.H 中定義,以下代碼是節(jié)選 OS_TCB中對本文分 析相關的 進構體成員。/ File : uCOS_II.Htype

5、def struct os_tcb OS_STK *OSTCBStkPtr; /* 當前任務的棧頂指針 */INT8U OSTCBPrio;INT8U OSTCBX;INT8U OSTCBY;INT8U OSTCBBitX;INT8U OSTCBBitY; OS_TCB;OSTCBStkPtr 是當前任務的棧頂指針 , 每個任務都有自己的堆棧和指向棧頂指 針。 在上 下文切換時 , 對于優(yōu)先級低的任務 , 要將任務當前狀態(tài)保存于任務堆棧中 (以便以后再次調 度到此任務繼續(xù)執(zhí)行 ,然后 OSTCBStkPtr 指向棧頂 ;對于優(yōu)先級高 的任務,通過 OSTCBStkPtr 找到任務的上次被切換時

6、的狀態(tài) ,把保存的狀態(tài)恢復到 CPU ,這樣任務就毫 無差錯的繼續(xù)執(zhí)行。OSTCBPrio 是任務的優(yōu)先級號。 OSTCBX , OSTCBBitX , OSTCBY , OSTCBBitY 用于 加速任務進入就緒態(tài)的過程或等待事件發(fā)生狀態(tài)的過程 ,這些值在 任務建立時調用 OS_TCBInit( 進行賦值。2.2 C /OS- 最高優(yōu)先級查找算法在 C /OS- 中 , 每個就緒的任務都放在就緒表 (ready list 中,內核通過就緒表 找到就緒 態(tài)最高優(yōu)先級的任務讓其占用 CPU ,進入運行態(tài) 3。C /OS- 中最多運行的任務是 64個,內核把任務優(yōu)先級分組 ,八個為一組 1, 如圖

7、 1所示。 任務優(yōu)先級號中 Y 是所屬組部分 , X 是所在組部分 , 在就緒表中有 2 個變量 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl , OSRdyGrp 表示所屬組 ,每一位代表一個組內是 否有進入就緒態(tài)的任務 , OSRdyTbl 表示所在組 ,一組八個任務 ,即一位代表一個任 務是否進入就緒態(tài)。當任務進 入就緒態(tài)時 ,就緒表 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl 相應位置 1。 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl 之間 的關系見圖 1, OSRdyGrp 的第 n 位對應 OSRdyTbl n ,即 OSRdyTbl n 中任何一位是 1時, OSRdyGrp 的第 n 位要置

8、 1。圖 1 任務就緒表任務創(chuàng)建成功后被置于就緒態(tài) , 這里就以任務被創(chuàng)建時為例來說明內核是如何 把任務置于就緒態(tài)。首先 ,建立任務 ,調用函數(shù) OSTaskCreat(或 OStaskCreatExt( , OSTaskCreat( 和 OStaskCreatExt( 都將調用 OS_TCBInit( 來初始化任務控制塊 ,函數(shù) OS_TCBInit( 完成 將任務優(yōu)先級放就緒表中 ,使任務置于就緒態(tài) ,函數(shù) OS_TCBInit( 中有關將任務優(yōu)先級放 就緒表的部分如下所示 :/ File : OS_CORE.CINT8U OS_TCBInit(INT8U prio,.OS_TCB* pt

9、cb;/* 初始化 OS_TCB中 OSTCBX,OSTCBBitX, OSTCBY,OSTCBBitY */ptcb-OSTCBY= prio 3;ptcb-OSTCBBitY = OSMapTblptcb-OSTCBY;ptcb-OSTCBX = prio & 0x07;ptcb-OSTCBBitX = OSMapTblptcb-OSTCBX;OSRdyGrp|= ptcb-OSTCBBitY; /* 將任務加入就緒表 */OSRdyTblptcb-OSTCBY |= ptcb-OSTCBBitX;OS_TCBInit( 對 OSTCBX,OSTCBBitX, OSTCBY,OSTCBBi

10、tY 提前做了運算 , 節(jié) 約任務 調度時間。 OSTCBX 和 OSTCBY 都要轉換為相應位掩碼 ,這個是通過 OSMapTbl 實現(xiàn) 1, 如圖 2。 內核通過按位或運算把 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl 的 相應位置 1, 這樣就完成了把任 務置于就緒態(tài)的工作。圖 2 OSMapTbl 所有任務置于就緒態(tài)的工作都是通過上面的兩個或運算完成。 最高優(yōu)先級任 務置于就緒 態(tài)和查找就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務是相反的過程 , 通過把任務置于就緒態(tài) 的分析知道了就緒表 中是如何放置任務優(yōu)先級信息的 , 接下來就要把最高優(yōu)先級的 任務從就緒表中查找出來。 任 務的優(yōu)先級越高 ,任務的優(yōu)先級號越小

11、 , 在 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl 中置 1的位越低,查 找最高優(yōu)先級的任務就是查出 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl 和最低的置 1位,然后再轉換為優(yōu) 先級號,這樣就完成了最高優(yōu)先級的查 找工作。內核調度任務時需要查找出最高優(yōu)先級的任務 4 。內核調用 OS_Sched（調 度 任務。 OS_Sched（找 出就緒態(tài)最高優(yōu)先級 OSPrioHighRdy , 判斷是否需要調度 , 如 果需要則調度任 務。函數(shù) OS_Sched（ 中有關查找最高優(yōu)先級的部分如下 :/ File : OS_CORE.Cvoid OS_Sched (voidINT8U y;y = OSUnMa

12、pTblOSRdyGrp; /* 找出最高優(yōu)先級 */OSPrioHighRdy = (INT8U(y 3 + OSUnMapTblOSRdyTbly;為了找到就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務 ,內核并不是從 OSRdyTbl 0 開始掃描整 個就緒 任務表,只需查另外一張表即優(yōu)先級判定表 OSUnMapTbl 1, 如圖 3所示, 這樣設計為內 核調度節(jié)約了時間。優(yōu)先級判定表 OSUnMapTbl 中的值由 OSRdyGrp 和 OSRdyTbl 的最 低置 1位確定,舉例說明。假設 OSRdyGrp=0x6C(0b01101100, OSRdyGrp 的最后一位置 1是第 2 位, OSUnMap

13、Tbl0x6C=2( 圖 3中紅色標注部分 ,反過來,知道 OSRdyGrp = 0x6C 就可以通過 OSUnMapTbl0x6C 找到 2,這樣通過 OSUnMapTbl 把 OSRdyGrp和 OSRdyTbl 最低置 1位轉換為對 應優(yōu)先級號中的 Y 和 X 部分, Y 乘以 8加上 X 就是就緒任 務的最小優(yōu)先級號 , 即優(yōu) 先級最高的任務的優(yōu)先級號 , 這樣內核便完成了查找就緒態(tài)最高優(yōu) 先級任務的工 作。INT8U const OSUnMapTbl =0, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x00 to 0x0F4, 0,

14、 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x10 to 0x1F5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x20 to 0x2F4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x30 to 0x3F6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x40 to 0x4F4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x50 to 0x5F

15、5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, /0x60 to 0x6F4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0x70 to 0x7F7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0x80 to 0x8F4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0x90 to 0x9F5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0xA0 to 0xA

16、F4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0xB0 to 0xBF6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0xC0 to 0xCF4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0xD0 to 0xDF5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,/0xE0 to 0xEF4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0 /0xF0 to 0xF

17、F;圖 3 OSUnMapTbl 2.3 C /OS- 任務調度原理C /OS- 內核調用函數(shù) OS_Sched(來 完成任務調度。函數(shù) OS_Sched(首 先找 出最高 優(yōu)先級任務的任務號 , 再與當前任務的任務號比較判斷是否需要調度 , 如果 兩個任務號不相 等則說明有更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)需要進行任務調度 , 然后 進入上下文切換完成任務 調度 ,反之則說明當前任務具有最高優(yōu)先級 ,退出 OS_Sched( 繼續(xù)執(zhí)行當前任務。有關內 核源碼如下 :/ File : OS_CORE.Cvoid OS_Sched (voidINT8U y;OS_ENTER_CRITICAL(;if (

18、OSIntNesting = 0 & (OSLockNesting = 0 y= OSUnMapTblOSRdyGrp; /* 查找最高優(yōu)先級 */OSPrioHighRdy = (INT8U(y 3 + OSUnMapTblOSRdyTbly;if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur /* 判斷是否需要任務切換 */OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTblOSPrioHighRdy;OSCtxSwCtr+;OS_TASK_SW(; /* 進行上下文切換 */OS_EXIT_CRITICAL(;首先 OS_Sched(通 過以上分析的最高優(yōu)先級算法找出就緒最高

19、優(yōu)先級任務的 任務號 OSPrioHighRdy ,判斷是否需要調度 ,即就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務的任務號 OSPrioHighRdy 和 當前任務的任務號 OSPrioCur 是否相等 ,如果相等說明當前任務 具有最高的優(yōu)先級 ,退出 OS_Sched(接 著執(zhí)行當前任務 ;如果不相等則說明更高優(yōu)先 級的任務進入就緒態(tài) ,此時需 要開始調度任務。通過就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務的任務 號 OSPrioHighRdy 使 OSTCBHighRdy 指向最高優(yōu)先級任務的任務控制塊 ,然后內核 任務切換次數(shù) OSCtxSwCtr 加 1,調用 OS_TASK_SW(進行上下文切換 ,運行新的任 務。上下文切換

20、部分是跟 CPU 緊密相關的 , 不同的 CPU 這部分代碼不同 , 但所做的 事情都 是一樣的 ,就是切換任務運行新的任務。本文不針對某一款 CPU 詳細分析源 代碼 ,只詳述 操作的步驟。首先 ,將當前任務的狀態(tài)需要保存起來 ,即程序計數(shù)器指針 PC ,狀態(tài)寄存器 和寄存器壓入任務棧加以保存 , 然后把任務棧棧頂指針存入自己的 OS_TCB中 OSTCBStkPtr 字段,接下來開始切換任務。在切換任務時首先更新 OSPrioCur 和 OSTCBCur (OSPrioCur 是內核運行任務的任務號 , OSTCBCur 指向內 核運行任務的任務控制塊 , 即 OSPrioHighRdy

21、和 OSTCBHighRdy 賦給 OSPrioCur 和 OSTCBCur , 然后從 OSTCBCur 中得到任務堆棧指針 OSTCBStkPtr ,賦給 CPU 堆 棧指針,從堆棧中取出最高優(yōu)先級任務的狀態(tài)即程序計數(shù)器指 針 PC ,狀態(tài)寄存器和 寄存器 ,把這些值分別恢復到處理器的 PC ,狀態(tài)寄存器和寄存器 ,然 后就開始新任務 的執(zhí)行 ,如此便完成了任務的調度。3. 結論C/OS-II 作為一個嵌入式實時操作系統(tǒng)內核已被廣泛應用于各種場合。本文 引用 C /OS- 內核源代碼詳細分析了內核調度的實現(xiàn) , 只有對內核調度原理有深 層次的了解后 , 才 能在具體的工程應用中將 C/OS-II 內核移植到各種嵌入式處理器 平臺。參考文獻1 Labrosse J J.嵌入式實時操作系統(tǒng) C /OS- 第 2版M .邵貝貝 , 等譯.北京 : 北京航天航空大學出版 社 , 20032 周立功 , 等. ARM 微控制器基礎與實踐 M . 北京 :北京航空航天大學出版 社 , 2