μC/OS－ll中任務(wù)調度算法的改進(jìn)

摘 要：介紹μC／OS―II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的特點(diǎn)，分析單一的基于優(yōu)先級調度算法存在的不足。根據嵌入式應用不同的實(shí)時(shí)性要求，將應用劃分為實(shí)時(shí)任務(wù)、分時(shí)任務(wù)和后臺任務(wù)三種類(lèi)型。針對分時(shí)任務(wù)，新增加時(shí)間片調度算法，給出調度算法的實(shí)現方法，同時(shí)增加任務(wù)創(chuàng )建和銷(xiāo)毀的接口；降低基于μC／OS―1I操作系統的嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度和設計成本，有利于該操作系統的應用推廣。

關(guān)鍵詞：μC／OS―II 嵌入式系統 任務(wù)調度算法 時(shí)間片調度

引 言

目前，操作系統內核的軟件中，μC，0S-II稱(chēng)得上是小型實(shí)時(shí)操作系統。它由Jean J．Labrosse于1992年推出第l版，立刻在嵌入式系統領(lǐng)域引起強烈反響。μC／OS II是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內核，可固化、可剪裁、具有高穩定性和可靠性。它最鮮明特點(diǎn)就是源碼公開(kāi)，便于移植和維護，而且對于學(xué)校研究完全免費，只有在應用于盈利項目時(shí)才需要支付少量的版權費，特別適合一般使用者的學(xué)習、研究和開(kāi)發(fā)。自問(wèn)世以來(lái)，其穩定性和可靠性得到了廣泛的認可，現已經(jīng)通過(guò)美國FAA認證。在嵌入式領(lǐng)域，μc／OS憑借優(yōu)越特性得到了越來(lái)越廣泛的應用，眾多的研究開(kāi)發(fā)者將其作為操作系統的樣板，移植到各種硬件平臺，其外圍的應用也越來(lái)越多。

1 μC／0S在嵌入式產(chǎn)品應用中存在的問(wèn)題

隨著(zhù)移動(dòng)通信、信息家電以及工業(yè)控制等領(lǐng)域的快速發(fā)展，嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了極佳的發(fā)展時(shí)機。強勁的市場(chǎng)需求帶來(lái)了研發(fā)的快速增長(cháng)，越來(lái)越多的軟件公司投入到嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)中。但另一方面，大部分軟件公司卻缺乏嵌入式操作系統這個(gè)嵌入式產(chǎn)品的核心技術(shù)，無(wú)法提供給各種應用多任務(wù)等現代操作系統所必備的功能，極大地限制了產(chǎn)品的性能和發(fā)展。μC／OS具有源碼公開(kāi)，商業(yè)授權費極低等特點(diǎn)，成為嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一種選擇。

μC／OS―II在設計時(shí)強調實(shí)時(shí)性。它采用單一的基于優(yōu)先級的搶先式調度算法，有效地保證了實(shí)時(shí)性的要求。在各種嵌入式操作系統中，其任務(wù)切換帶來(lái)的時(shí)延窗口很小。非常適合強實(shí)時(shí)性的任務(wù)要求，但是對于大部分周期性和實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)來(lái)說(shuō)，μC／O一II還存在一些不足：

①缺乏時(shí)間片調度，低優(yōu)先級的任務(wù)很難得到執行。μC／OS―II不支持時(shí)間片調度，優(yōu)先級高的任務(wù)如果不主動(dòng)放棄CPU，低優(yōu)先級任務(wù)永遠都不可能運行。這對于那些分別編寫(xiě)，但叉可能同時(shí)運行的任務(wù)來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)任務(wù)之間的同步等動(dòng)作來(lái)完成交替運行。這不但增加了編程難度，而且破壞了模塊的獨立性。

②任務(wù)創(chuàng )建和銷(xiāo)毀的接口復雜。μC／OS―ll的上層軟件開(kāi)發(fā)需要關(guān)心底層具體實(shí)現，接口比較復雜。對于經(jīng)驗不多的程序員來(lái)說(shuō)，第一，創(chuàng )建任務(wù)時(shí)需要用戶(hù)自行指定優(yōu)先級。這必然牽涉到如何管理分配優(yōu)先級的問(wèn)題。第二，μC／OS―II中任務(wù)的?？臻g完全由用戶(hù)管理，系統只是簡(jiǎn)單地要求用戶(hù)創(chuàng )建任務(wù)時(shí)傳人棧地址，而不參與?？臻g的申請和釋放。為了簡(jiǎn)化μC／OS的示例程序，更是簡(jiǎn)單地以靜態(tài)數組作為任務(wù)棧。?？臻g的放任自流在帶來(lái)一定靈活性的同時(shí)也會(huì )帶來(lái)問(wèn)題的隱患。第三，因為μC／OS―II規定任務(wù)必須為無(wú)限循環(huán)或自銷(xiāo)毀形式，所以其任務(wù)在結束時(shí)，需要手工調用OSTaskDel，使該任務(wù)進(jìn)入睡眠態(tài)，不能簡(jiǎn)單地返回。與現在流行的大多數操作系統用法差異較大。

結合國內的產(chǎn)業(yè)現狀，從程序員素質(zhì)和應用程序的實(shí)時(shí)性分類(lèi)，在數量上都呈現金字塔狀；而且往往是高級程序員負責開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應用，普通程序員開(kāi)發(fā)非實(shí)時(shí)應用。如果希望能在包括數目龐大的非實(shí)時(shí)應用的產(chǎn)品中利用μC／OS―II，則必須對它作出擴充，在保留實(shí)時(shí)任務(wù)支持的前提下，增添時(shí)間片調度，并對任務(wù)的接口作出簡(jiǎn)化處理。

2 μC／OS調度算法的改進(jìn)

μC／OS中的每個(gè)任務(wù)具有一個(gè)任務(wù)控制塊0S_TCB，任務(wù)控制塊記錄任務(wù)執行的環(huán)境，包括任務(wù)的優(yōu)先級、任務(wù)的堆棧指針、任務(wù)的相關(guān)事件控制塊指針等。內核將系統中處于就緒態(tài)的任務(wù)在就緒表中進(jìn)行標注，通過(guò)就緒表中的兩個(gè)變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]可快速查找系統中就緒的任務(wù)。在μC／OS―II中每個(gè)任務(wù)有唯一的優(yōu)先級，因此任務(wù)的優(yōu)先級也是任務(wù)的唯一標識。內核可用控制塊優(yōu)先級表OSTCBPrioTbl[]通過(guò)任務(wù)的優(yōu)先級查到任務(wù)控制塊的地址。μC／OS―II主要就是利用任務(wù)控制快OS_TCB、就緒表和控制塊優(yōu)先級表0STCBPrioTbl[]來(lái)進(jìn)行任務(wù)調度。任務(wù)調度程序OSSched()首先由就緒表中找到當前系統中處于就緒態(tài)的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后根據其優(yōu)先級由控制塊優(yōu)先級表0STCBPrioTbl[]取得相應任務(wù)控制塊的地址，由OS_TASK―SW()程序進(jìn)行運行環(huán)境的切換。若在任務(wù)運行時(shí)發(fā)生中斷，則轉向執行中斷程序，執行完畢后不是簡(jiǎn)單地返回中斷調用處，而是由OSIntExit()程序進(jìn)行任務(wù)調度，執行當前系統中優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)。

本文擬在不破壞μC／OS實(shí)時(shí)性的前提下，增加時(shí)間片調度，以適于非實(shí)時(shí)性場(chǎng)合，并參考Windows和Linux多種通用操作系統任務(wù)調用接口函數，對μC／0S任務(wù)接口作出改進(jìn)，提供通用簡(jiǎn)單的編程接口,降低應用軟件開(kāi)發(fā)難度，增加系統穩定性和可靠性。

2.1 時(shí)間片調度算法的設計與實(shí)現

μC／OS中共有64個(gè)任務(wù)，其中作者保留了8個(gè)任務(wù)以備將來(lái)使用，因此用戶(hù)可以有多達56個(gè)應用任務(wù)。將這些任務(wù)劃分為3個(gè)層次，如圖l所示。

實(shí)時(shí)任務(wù)保留原本設計的絕對優(yōu)先級調度，對系統驅動(dòng)或通信等實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合提供支持，任務(wù)的創(chuàng )建接口保持不變，由高級程序員編寫(xiě)相應程序；在分時(shí)任務(wù)空間采用時(shí)間片調度，各種任務(wù)輪流執行，適用于事務(wù)性處理或實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，普通程序員在此區間內編寫(xiě)任務(wù)，并對此空間任務(wù)的創(chuàng )建和銷(xiāo)毀提供了新的編程接口，使之適合普通程序員的編程習慣；后臺任務(wù)是指idle任務(wù)、統計任務(wù)等在系統空閑時(shí)運行的任務(wù)，其在實(shí)時(shí)任務(wù)和分時(shí)任務(wù)都沒(méi)有就緒時(shí)才有機會(huì )運行，此區間也采用絕對優(yōu)先級調度。

分時(shí)任務(wù)在μC／OS原先的五種狀態(tài)中添加了等待態(tài)，定義為OS_STAT_WAITSLICE，表示正在等待時(shí)間片的重新產(chǎn)生。增添新?tīng)顟B(tài)后的狀態(tài)遷移如圖2所示。

其中睡眠態(tài)(dormant)異于多數操作系統的定義，是指任務(wù)駐留在程序空間之中，還沒(méi)有交給μC／OS―II管理。所有任務(wù)開(kāi)始于睡眠態(tài)，通過(guò)調用任務(wù)創(chuàng )立函數把任務(wù)交給μC／0S―II。當任務(wù)一旦建立，就進(jìn)入就緒態(tài)準備運行。在任務(wù)銷(xiāo)毀時(shí)，可以通過(guò)調用OSTaskDel()返回到睡眠態(tài)。其余阻塞態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)和中斷態(tài)較常見(jiàn)，這里不再詳述，可以參考文獻[1]第3章。

圖2中，如果處于運行態(tài)的任務(wù)時(shí)間片消耗完畢，則該任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài) 如果全部分時(shí)任務(wù)都進(jìn)入等待狀態(tài)，則系統會(huì )為其全部重新分配時(shí)間片，并使它們都返回就緒態(tài)。除此之外，其余狀態(tài)關(guān)系與μC／0S―Il相同。

為了實(shí)現分時(shí)任務(wù)時(shí)間片調度算法，首先在OS_TCB結構中添加OSTCBTimeSlices，以存儲任務(wù)剩余的時(shí)間片數；同時(shí)定義OS-NORMAL_PRIO_START和OS_NOR-MAL_PRIO_START，表示分時(shí)任務(wù)區間的大??；還必須修改μC／0S的時(shí)鐘服務(wù)程序，即函數OSTimeTick()，來(lái)處理與時(shí)鐘相關(guān)的任務(wù)狀態(tài)。修改后處理流程如圖3所示。

圖3中，模塊②之前的流程與在μC／()S―II中幾乎完全相同，主要負責對所有任務(wù)時(shí)延值的處理。模塊②判斷處于就緒態(tài)的分時(shí)任務(wù)是否時(shí)間片用完，如是，則將其設置為等待態(tài)。模塊③查出就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)。如果低于分時(shí)任務(wù)區間，說(shuō)明沒(méi)有分時(shí)任務(wù)或所有的分時(shí)任務(wù)都處于等待態(tài)，此時(shí)為所有的分時(shí)任務(wù)重新分配新的時(shí)間片，并將其變更為就緒態(tài)。模塊④中，如果當前任務(wù)是分時(shí)任務(wù)，則說(shuō)明該任務(wù)已經(jīng)消耗了一個(gè)時(shí)間片，將該任務(wù)時(shí)間片減1。

從改進(jìn)后的處理流程可以看出，實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先級高，調度不受影響，不會(huì )進(jìn)入新加入的部分；分時(shí)任務(wù)在運行態(tài)時(shí)，其時(shí)間片會(huì )不停減少，直到剩余時(shí)間片為零，則進(jìn)入等待態(tài)。當系統的所有分時(shí)任務(wù)都進(jìn)入了等待態(tài)，則對在等待態(tài)的分時(shí)任務(wù)重新計算剩余時(shí)間片，并把它們都設為就緒態(tài)，則新的一輪分時(shí)任務(wù)交替運行又開(kāi)始了。所有的后臺任務(wù)的調度也不受影響。

OSTimeTick處理十分頻繁，必須盡可能地減少運算開(kāi)銷(xiāo)，改進(jìn)方案對其增加分時(shí)任務(wù)的處理。在有實(shí)時(shí)任務(wù)運行時(shí)，延時(shí)基本沒(méi)有增加；只有在所有分時(shí)任務(wù)都進(jìn)入等待態(tài)后，才會(huì )有較大的計算量，經(jīng)試驗效果良好。

2.2 任務(wù)接口的改進(jìn)

為了簡(jiǎn)化應用編程接口，屏蔽低層任務(wù)管理細節，為用戶(hù)提供新的任務(wù)接口OSNTaskCreate和OSNTaskDel。0SNTaskCreate用于創(chuàng )建分時(shí)任務(wù)，該函數在分時(shí)區間自動(dòng)分配優(yōu)先級，代替用戶(hù)申請?？臻g，并在初始化棧內容時(shí)壓人OSNTaskDel地址。在用戶(hù)任務(wù)退出后，就會(huì )自動(dòng)調用()SNTaskDel，以釋放?？臻g，并調用()STaskDel。如此更符合用戶(hù)在Windows等系統的情況，任務(wù)結束后只是簡(jiǎn)單返回，減小了錯誤出現的機會(huì )。改進(jìn)后的OSNTaskCreate偽碼如下：

INT8U()SNTaskCreate(任務(wù)地址pThead，參數pData，棧大小dwStackSize){在分時(shí)區間分配優(yōu)先級；

if(區間已滿(mǎn))

設置錯誤碼并退出；

if(dwStackSize為零)

dwStackSize為缺省大??；

分配?？臻g并記人TCB；

初始化?？臻g()SNewTaskStklnit();

調用0S_TCBInit初始化TCB；

if(成功)

調度0S_Sched()；

設置錯誤碼并退出；

}

優(yōu)先級和?？臻g分配算法較簡(jiǎn)單，這里不再詳述。新的OSNewTaskStklnit初始化?？臻g函數在x86平臺上修改前后形成的棧內容如圖4所示。

結 語(yǔ)

本文對μC／0S―II的調度算法作了改進(jìn)，劃分了實(shí)時(shí)任務(wù)、分時(shí)任務(wù)和后臺任務(wù)；并對任務(wù)的用戶(hù)接口進(jìn)行了改善，使之更加方便易用。以上方法已成功應用在好易通系列電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，對μC／OS―II在嵌入式產(chǎn)品應用和推廣中具有廣泛意義。