UC/OS-II內(nèi)核調(diào)度分析

一．內(nèi)核概述：

多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個任務(wù)，或者說為每個任務(wù)分配CPU時間，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通訊。內(nèi)核提供的基本服務(wù)是任務(wù)切換。之所以使用實時內(nèi)核可以大大簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，是因為實時內(nèi)核允許將應(yīng)用分成若干個任務(wù)，由實時內(nèi)核來管理它們。內(nèi)核本身也增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷，代碼空間增加ROM的用量，內(nèi)核本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)增加了RAM的用量。但更主要的是，每個任務(wù)要有自己的?？臻g，這一塊吃起內(nèi)存來是相當(dāng)厲害的。內(nèi)核本身對CPU的占用時間一般在2到5個百分點之間。

UC/OS-II有一個精巧的內(nèi)核調(diào)度算法,實時內(nèi)核精小，執(zhí)行效率高，算法巧妙,代碼空間很少。

二．UC/OS-II內(nèi)核調(diào)度特點：

1．只支持基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，不支持時間片輪訓(xùn)；

2．64個優(yōu)先級,只能創(chuàng)建64個任務(wù),用戶只能創(chuàng)建56個任務(wù)；

3．每個任務(wù)優(yōu)先級都不相同。

4．不支持優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)；

5．READY隊列通過內(nèi)存映射表實現(xiàn)快速查詢。效率非常高；

6．支持時鐘節(jié)拍；

7．支持信號量，消息隊列，事件控制塊，事件標(biāo)志組，消息郵箱任務(wù)通訊機制；

8．支持中斷嵌套，中斷嵌套層數(shù)可達255層，中斷使用當(dāng)前任務(wù)的堆棧保存上下文；

9．每個任務(wù)有自己的堆棧，堆棧大小用戶自己設(shè)定；

10．支持動態(tài)修改任務(wù)優(yōu)先級；

11．任務(wù)TCB為靜態(tài)數(shù)組，建立任務(wù)只是從中獲得一個TCB，不用動態(tài)分配，釋放內(nèi)存；

12．任務(wù)堆棧為用戶靜態(tài)或者動態(tài)創(chuàng)建，在任務(wù)創(chuàng)建外完成，任務(wù)創(chuàng)建本身不進行動態(tài)內(nèi)存分配；

13．任務(wù)的總個數(shù)（OS_MAX_TASKS）由用戶決定；

14．0優(yōu)先級最高，63優(yōu)先級最低；

15．有一個優(yōu)先級最低的空閑任務(wù),在沒有用戶任務(wù)運行的時候運行.

三．任務(wù)控制塊OS_TCB描述：

UC/OS-II的TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)容容易理解，保存最基本的任務(wù)信息，同時還支持裁減來減小內(nèi)存消耗，TCB是事先根據(jù)用戶配置，靜態(tài)分配內(nèi)存的結(jié)構(gòu)數(shù)組，通過優(yōu)先級序號進行添加，查找，刪除等功能。減少動態(tài)內(nèi)存分配和釋放。因為依靠優(yōu)先級進行TCB分配，每個任務(wù)必須有自己的優(yōu)先級，不能和其他任務(wù)具有相同的優(yōu)先級。

typedefstructos_tcb

{

OS_STK*OSTCBStkPtr;

#ifOS_TASK_CREATE_EXT_EN

void*OSTCBExtPtr;

OS_STK*OSTCBStkBottom;

INT32UOSTCBStkSize;

INT16UOSTCBOpt;

INT16UOSTCBId;

#endif

structos_tcb*OSTCBNext;

structos_tcb*OSTCBPrev;

#if(OS_Q_EN(OS_MAX_QS>=2))||OS_MBOX_EN||OS_SEM_EN

OS_EVENT*OSTCBEventPtr;

#endif

#if(OS_Q_EN(OS_MAX_QS>=2))||OS_MBOX_EN

void*OSTCBMsg;

#endif

INT16UOSTCBDly;

INT8UOSTCBStat;

INT8UOSTCBPrio;

INT8UOSTCBX;

INT8UOSTCBY;

INT8UOSTCBBitX;

INT8UOSTCBBitY;

#ifOS_TASK_DEL_EN

BOOLEANOSTCBDelReq;

#endif

}OS_TCB;

.OSTCBStkPtr是指向當(dāng)前任務(wù)棧頂?shù)闹羔槨?/p>

.*OSTCBExtPtr;：任務(wù)擴展模塊使用；

.*OSTCBStkBottom;

.OSTCBStkSize;.

.OSTCBOpt;

.OSTCBId;

.OSTCBNext和.OSTCBPrev用于任務(wù)控制塊OS_TCBs的雙重鏈接，

.OSTCBEventPtr是指向事件控制塊的指針

.OSTCBMsg是指向傳給任務(wù)的消息的指針。

.OSTCBDly當(dāng)需要把任務(wù)延時若干時鐘節(jié)拍時要用到這個變量，或者需要把任務(wù)掛起一段時間以等待某事件的發(fā)生，

.OSTCBStat是任務(wù)的狀態(tài)字。

.OSTCBPrio是任務(wù)優(yōu)先級。

.OSTCBX,.OSTCBY,.OSTCBBitX和.OSTCBBitY用于加速任務(wù)進入就緒態(tài)的過程或進入等待事件發(fā)生狀態(tài)的過程

OSTCBY=priority>>3;

OSTCBBitY=OSMapTbl[priority>>3];

OSTCBX=priority0x07;

OSTCBBitX=OSMapTbl[priority0x07];

.OSTCBDelReq是一個布爾量，用于表示該任務(wù)是否需要刪除

四．就緒表（ReadyList）：

UC/OS-II采用內(nèi)存映射的方式來實現(xiàn)READY隊列的加入，查找，刪除功能，效率非常高。但是也因此只能支持64個任務(wù)，每個任務(wù)都有自己的優(yōu)先級，不能和其他任務(wù)優(yōu)先級向同。

每個任務(wù)的就緒態(tài)標(biāo)志都放入就緒表中的，就緒表中有兩個變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]。在OSRdyGrp中，任務(wù)按優(yōu)先級分組，8個任務(wù)為一組。OSRdyGrp中的每一位表示8組任務(wù)中每一組中是否有進入就緒態(tài)的任務(wù)。任務(wù)進入就緒態(tài)時，就緒表OSRdyTbl[]中的相應(yīng)元素的相應(yīng)位也置位。就緒表OSRdyTbl[]數(shù)組的大小取決于OS_LOWEST_PRIO(見文件OS_CFG.H)。

為確定下次該哪個優(yōu)先級的任務(wù)運行了，內(nèi)核調(diào)度器總是將OS_LOWEST_PRIO在就緒表中相應(yīng)字節(jié)的相應(yīng)位置1。OSRdyGrp和OSRdyTbl[]的關(guān)系見圖3.3，是按以下規(guī)則給出的：

當(dāng)OSRdyTbl[i]中的任何一位是1時，OSRdyGrp的第i位置1。i從0到7。

使任務(wù)進入就緒態(tài)

OSRdyGrp|=OSMapTbl[prio>>3];

OSRdyTbl[prio>>3]|=OSMapTbl[prio0x07];

任務(wù)優(yōu)先級的低三位用于確定任務(wù)在總就緒表OSRdyTbl[]中的所在位。接下去的三位用于確定是在OSRdyTbl[]數(shù)組的第幾個元素。OSMapTbl[]是在ROM中的（見文件OS_CORE.C）屏蔽字，用于限制OSRdyTbl[]數(shù)組的元素下標(biāo)在0到7之間，如果一個任務(wù)被刪除了，則用程序清單3.6中的代碼做求反處理。

程序清單L3.6從就緒表中刪除一個任務(wù)

if((OSRdyTbl[prio>>3]=~OSMapTbl[prio0x07])==0)

OSRdyGrp=~OSMapTbl[prio>>3];

以上代碼將就緒任務(wù)表數(shù)組OSRdyTbl[]中相應(yīng)元素的相應(yīng)位清零，而對于OSRdyGrp，只有當(dāng)被刪除任務(wù)所在任務(wù)組中全組任務(wù)一個都沒有進入就緒態(tài)時，才將相應(yīng)位清零。也就是說OSRdyTbl[prio>>3]所有的位都是零時，OSRdyGrp的相應(yīng)位才清零。為了找到那個進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，并不需要從OSRdyTbl[0]開始掃描整個就緒任務(wù)表，只需要查另外一張表，即優(yōu)先級判定表OSUnMapTbl([256])(見文件OS_CORE.C)。OSRdyTbl[]中每個字節(jié)的8位代表這一組的8個任務(wù)哪些進入就緒態(tài)了，低位的優(yōu)先級高于高位。利用這個字節(jié)為下標(biāo)來查OSUnMapTbl這張表，返回的字節(jié)就是該組任務(wù)中就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的那個任務(wù)所在的位置。這個返回值在0到7之間。確定進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)是用以下代碼完成的。

找出進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)

y=OSUnMapTbl[OSRdyGrp];

x=OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];

prio=(y3)+x;

例如，如果OSRdyGrp的值為二進制01101000，查OSUnMapTbl[OSRdyGrp]得到的值是3，它相應(yīng)于OSRdyGrp中的第3位bit3，這里假設(shè)最右邊的一位是第0位bit0。類似地，如果OSRdyTbl[3]的值是二進制11100100,則OSUnMapTbl[OSRdyTbc[3]]的值是2，即第2位。于是任務(wù)的優(yōu)先級Prio就等于26（3*8+2）。利用這個優(yōu)先級的值。查任務(wù)控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]，得到指向相應(yīng)任務(wù)的任務(wù)控制塊OS_TCB的工作就完成了。

五．任務(wù)狀態(tài)：

UC/OS-II主要有五種任務(wù)狀態(tài)，睡眠態(tài)就是掛起態(tài)，阻塞態(tài)和延時態(tài)這里統(tǒng)一為等待狀態(tài)。增加了一個被中斷狀態(tài)。UC/OS-Ⅱ總是建立一個空閑任務(wù)，這個任務(wù)在沒有其它任務(wù)進入就緒態(tài)時投入運行。這個空閑任務(wù)[OSTaskIdle()]永遠(yuǎn)設(shè)為最低優(yōu)先級空閑任務(wù)OSTaskIdle()什么也不做，只是在不停地給一個32位的名叫OSIdleCtr的計數(shù)器加1，統(tǒng)計任務(wù)使用這個計數(shù)器以確定現(xiàn)行應(yīng)用軟件實際消耗的CPU時間?？臻e任務(wù)不可能被應(yīng)用軟件刪除。

睡眠態(tài)（DORMANT）指任務(wù)駐留在程序空間之中，還沒有交給μC/OS-Ⅱ管理，把任務(wù)交給μC/OS-Ⅱ是通過調(diào)用下述兩個函數(shù)之一：OSTaskCreate()或OSTaskCreateExt()。當(dāng)任務(wù)一旦建立，這個任務(wù)就進入就緒態(tài)準(zhǔn)備運行。任務(wù)的建立可以是在多任務(wù)運行開始之前，也可以是動態(tài)地被一個運行著的任務(wù)建立。如果一個任務(wù)是被另一個任務(wù)建立的，而這個任務(wù)的優(yōu)先級高于建立它的那個任務(wù)，則這個剛剛建立的任務(wù)將立即得到CPU的控制權(quán)。一個任務(wù)可以通過調(diào)用OSTaskDel()返回到睡眠態(tài)，或通過調(diào)用該函數(shù)讓另一個任務(wù)進入睡眠態(tài)。

調(diào)用OSStart()可以啟動多任務(wù)。OSStart()函數(shù)運行進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)。就緒的任務(wù)只有當(dāng)所有優(yōu)先級高于這個任務(wù)的任務(wù)轉(zhuǎn)為等待狀態(tài)，或者是被刪除了，才能進入運行態(tài)。

正在運行的任務(wù)可以通過調(diào)用兩個函數(shù)之一將自身延遲一段時間，這兩個函數(shù)是OSTimeDly()或OSTimeDlyHMSM()。這個任務(wù)于是進入等待狀態(tài)，等待這段時間過去，下一個優(yōu)先級最高的、并進入了就緒態(tài)的任務(wù)立刻被賦予了CPU的控制權(quán)。等待的時間過去以后，系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)OSTimeTick()使延遲了的任務(wù)進入就緒態(tài)（見3.10節(jié)，時鐘節(jié)拍）。

正在運行的任務(wù)期待某一事件的發(fā)生時也要等待，手段是調(diào)用以下3個函數(shù)之一：OSSemPend()，OSMboxPend()，或OSQPend()。調(diào)用后任務(wù)進入了等待狀態(tài)（WAITING）。當(dāng)任務(wù)因等待事件被掛起（Pend），下一個優(yōu)先級最高的任務(wù)立即得到了CPU的控制權(quán)。當(dāng)事件發(fā)生了，被掛起的任務(wù)進入就緒態(tài)。事件發(fā)生的報告可能來自另一個任務(wù)，也可能來自中斷服務(wù)子程序。

正在運行的任務(wù)是可以被中斷的，除非該任務(wù)將中斷關(guān)了，或者μC/OS-Ⅱ?qū)⒅袛嚓P(guān)了。被中斷了的任務(wù)就進入了中斷服務(wù)態(tài)（ISR）。響應(yīng)中斷時，正在執(zhí)行的任務(wù)被掛起，中斷服務(wù)子程序控制了CPU的使用權(quán)。中斷服務(wù)子程序可能會報告一個或多個事件的發(fā)生，而使一個或多個任務(wù)進入就緒態(tài)。在這種情況下，從中斷服務(wù)子程序返回之前，μC/OS-Ⅱ要判定，被中斷的任務(wù)是否還是就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的。如果中斷服務(wù)子程序使一個優(yōu)先級更高的任務(wù)進入了就緒態(tài)，則新進入就緒態(tài)的這個優(yōu)先級更高的任務(wù)將得以運行，否則原來被中斷了的任務(wù)才能繼續(xù)運行。

當(dāng)所有的任務(wù)都在等待事件發(fā)生或等待延遲時間結(jié)束，μC/OS-Ⅱ執(zhí)行空閑任務(wù)（idletask），執(zhí)行OSTaskIdle()函數(shù)。

六．任務(wù)切換：

ContextSwitch在有的書中翻譯成上下文切換，實際含義是任務(wù)切換，或CPU寄存器內(nèi)容切換。當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運行另外的任務(wù)時，它保存正在運行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)（Context），即CPU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容保存在任務(wù)的當(dāng)前狀況保存區(qū)（Task’sContextStoragearea），也就是任務(wù)自己的棧區(qū)之中。（見圖2.2）。入棧工作完成以后，就是把下一個將要運行的任務(wù)的當(dāng)前狀況從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU的寄存器，并開始下一個任務(wù)的運行。這個過程叫做任務(wù)切換。任務(wù)切換過程增加了應(yīng)用程序的額外負(fù)荷。CPU的內(nèi)部寄存器越多，額外負(fù)荷就越重。做任務(wù)切換所需要的時間取決于CPU有多少寄存器要入棧。實時內(nèi)核的性能不應(yīng)該以每秒鐘能做多少次任務(wù)切換來評價。

七．任務(wù)調(diào)度分析：

μC/OS-Ⅱ提供最簡單的實時內(nèi)核任務(wù)調(diào)度，算法簡單，因此也只支持優(yōu)先級搶占任務(wù)調(diào)度，不支持時間片輪訓(xùn)調(diào)度算法,不支持優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。

μC/OS-Ⅱ總是運行進入就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的那一個。確定哪個任務(wù)優(yōu)先級最高，下面該哪個任務(wù)運行了的工作是由調(diào)度器（Scheduler）完成的。任務(wù)級的調(diào)度是由函數(shù)OSSched()完成的。中斷級的調(diào)度是由另一個函數(shù)OSIntExt()完成的，這個函數(shù)將在以后描述。

μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度所花的時間是常數(shù)，與應(yīng)用程序中建立的任務(wù)數(shù)無關(guān)。

在μC/OS中曾經(jīng)是先得到OSTCBHighRdy然后和OSTCBCur做比較。因為這個比較是兩個指針型變量的比較，在8位和一些16位微處理器中這種比較相對較慢。而在μC/OS-Ⅱ中是兩個整數(shù)的比較。并且，除非用戶實際需要做任務(wù)切換，在查任務(wù)控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]時，不需要用指針變量來查OSTCBHighRdy。綜合這兩項改進，即用整數(shù)比較代替指針的比較和當(dāng)需要任務(wù)切換時再查表，使得μC/OS-Ⅱ比μC/OS在8位和一些16位微處理器上要更快一些。

為實現(xiàn)任務(wù)切換，OSTCBHighRdy必須指向優(yōu)先級最高的那個任務(wù)控制塊OS_TCB，這是通過將以O(shè)SPrioHighRdy為下標(biāo)的OSTCBPrioTbl[]數(shù)組中的那個元素賦給OSTCBHighRdy來實現(xiàn)的[L3.8(4)]。最后宏調(diào)用OS_TASK_SW()來完成實際上的任務(wù)切換[L3.8(6)]。

任務(wù)切換很簡單，由以下兩步完成，將被掛起任務(wù)的微處理器寄存器推入堆棧，然后將較高優(yōu)先級的任務(wù)的寄存器值從棧中恢復(fù)到寄存器中。在μC/OS-Ⅱ中，就緒任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)總是看起來跟剛剛發(fā)生過中斷一樣，所有微處理器的寄存器都保存在棧中。換句話說，μC/OS-Ⅱ運行就緒態(tài)的任務(wù)所要做的一切，只是恢復(fù)所有的CPU寄存器并運行中斷返回指令。為了做任務(wù)切換，運行OS_TASK_SW(),人為模仿了一次中斷。多數(shù)微處理器有軟中斷指令或者陷阱指令TRAP來實現(xiàn)上述操作。中斷服務(wù)子程序或陷阱處理（Traphardler），也稱作事故處理（exceptionhandler），必須提供中斷向量給匯編語言函數(shù)OSCtxSw()。OSCtxSw()除了需要OS_TCBHighRdy指向即將被掛起的任務(wù)，還需要讓當(dāng)前任務(wù)控制塊OSTCBCur指向即將被掛起的任務(wù)。

OSSched()的所有代碼都屬臨界段代碼。在尋找進入就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)過程中，為防止中斷服務(wù)子程序把一個或幾個任務(wù)的就緒位置位，中斷是被關(guān)掉的。為縮短切換時間，OSSched()全部代碼都可以用匯編語言寫。為增加可讀性，可移植性和將匯編語言代碼最少化，OSSched()是用C寫的。

任務(wù)切換的相關(guān)函數(shù):與CPU體系相關(guān)，匯編完成。

1.OSStartHighRdy()執(zhí)行優(yōu)先級最高的任務(wù)

2.OSCtxSw()完成任務(wù)的上下文切換

3.OSIntCtxSw()中斷后的上下文切換

4.OSTickISR()中斷服務(wù)程序啟動

八．UC/OS-II的初始化：

OSInit()建立空閑任務(wù)idletask，這個任務(wù)總是處于就緒態(tài)的?？臻e任務(wù)OSTaskIdle（）的優(yōu)先級總是設(shè)成最低。

這兩個任務(wù)的任務(wù)控制塊（OS_TCBs）是用雙向鏈表鏈接在一起的。OSTCBList指向這個鏈表的起始處。當(dāng)建立一個任務(wù)時，這個任務(wù)總是被放在這個鏈表的起始處。換句話說，OSTCBList總是指向最后建立的那個任務(wù)。鏈的終點指向空字符NULL(也就是零)。

因為這兩個任務(wù)都處在就緒態(tài)，在就緒任務(wù)表OSRdyTbl[]中的相應(yīng)位是設(shè)為1的。還有，因為這兩個任務(wù)的相應(yīng)位是在OSRdyTbl[]的同一行上，即屬同一組，故OSRdyGrp中只有1位是設(shè)為1的。

μC/OS-Ⅱ還初始化了4個空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緩沖區(qū)，如圖F3.8所示。每個緩沖區(qū)都是單向鏈表，允許μC/OS-Ⅱ從緩沖區(qū)中迅速得到或釋放一個緩沖區(qū)中的元素。控制塊OS_TCB的數(shù)目也就自動確定了。當(dāng)然，包括足夠的任務(wù)控制塊分配給統(tǒng)計任務(wù)和空閑任務(wù)。

UC/OS-II內(nèi)核調(diào)度分析vxWorks內(nèi)核調(diào)度分析

1．只支持基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，不支持時間片輪訓(xùn)；2．64個優(yōu)先級,只能創(chuàng)建64個任務(wù),用戶只能創(chuàng)建56個任務(wù)；3．每個任務(wù)優(yōu)先級都不相同。4．不支持優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)；5．READY隊列通過內(nèi)存映射表實現(xiàn)快速查詢。效率非常高；6．支持時鐘節(jié)拍；7．支持信號量，消息隊列，事件控制塊，事件標(biāo)志組，消息郵箱任務(wù)通訊機制；8．支持中斷嵌套，中斷嵌套層數(shù)可達255層，中斷使用當(dāng)前任務(wù)的堆棧保存上下文；9．每個任務(wù)有自己的堆棧，堆棧大小用戶自己設(shè)定；10．支持動態(tài)修改任務(wù)優(yōu)先級；11．任務(wù)TCB為靜態(tài)數(shù)組，建立任務(wù)只是從中獲得一個TCB，不用動態(tài)分配，釋放內(nèi)存；12．任務(wù)堆棧為用戶靜態(tài)或者動態(tài)創(chuàng)建，在任務(wù)創(chuàng)建外完成，任務(wù)創(chuàng)建本身不進行動態(tài)內(nèi)存分配；13．任務(wù)的總個數(shù)（OS_MAX_TASKS）由用戶決定；14．0優(yōu)先級最高，63優(yōu)先級最低；15．有一個優(yōu)先級最低的空閑任務(wù),在沒有用戶任務(wù)運行的時候運行.1．根據(jù)用戶指定，動態(tài)分配堆棧，可以創(chuàng)建任意多個任務(wù)；2．任務(wù)的優(yōu)先級從0——255，0優(yōu)先級最高，允許多個任務(wù)相同優(yōu)先級；3．支持優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)，TCB保存兩個優(yōu)先級；4．支持搶占與時間片輪訓(xùn)的任務(wù)調(diào)度方式；5．支持中斷嵌套，中斷使用專用的堆棧保存上下文；6．隊列采用FIFO或者優(yōu)先級的雙向鏈表實現(xiàn)；7．系統(tǒng)沒有空閑任務(wù)執(zhí)行；8．采用工作隊列workQword的方式調(diào)度；9．任務(wù)是基于類，對象的管理方式；10．任務(wù)的TCB保存在任務(wù)的堆棧里；11．每個任務(wù)有自己的堆棧，堆棧大小用戶自己設(shè)定；12．支持動態(tài)修改任務(wù)優(yōu)先級；13．通過編譯開關(guān)實現(xiàn)對多cpu體系結(jié)構(gòu)的支持。