基于μC/OS-II的時(shí)間片調度法的設計與應用

　引言

　　μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統采用的是基于優(yōu)先級的可剝奪調度法[1]?；趦?yōu)先級的可剝奪調度法是指，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)運行；最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒，總能得到CPU的使用權，當一個(gè)運行著(zhù)的任務(wù)使一個(gè)比它優(yōu)先級高的任務(wù)進(jìn)入了就緒態(tài)時(shí)，當前任務(wù)的CPU使用權就被剝奪了，更高優(yōu)先級的任務(wù)立刻得到了CPU的使用權。除非最高優(yōu)先級的任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的使用權（通過(guò)調用OSTimeDly()、OSSemPend()等函數），否則低優(yōu)先級的任務(wù)是沒(méi)機會(huì )獲得CPU使用權的。對于一個(gè)實(shí)際應用系統中耗時(shí)比較長(cháng)的任務(wù)，為了讓其他任務(wù)能夠得到實(shí)時(shí)調度，可以用兩種方法來(lái)處理。第一種方法是把該任務(wù)的優(yōu)先級設為最低（當然還是比空閑任務(wù)要高）；第二種方法就是讓該耗時(shí)任務(wù)運行一段時(shí)間后延時(shí)一下再繼續運行，即把整個(gè)任務(wù)劃分為若干步驟來(lái)執行，如以下的示例代碼：

　　很多情況下，耗時(shí)長(cháng)的任務(wù)并不能設置為最低優(yōu)先級任務(wù)，而劃分步驟來(lái)執行的方法不但繁瑣而且每一步執行的時(shí)間也是不確定的（其他低優(yōu)先級任務(wù)獲得CPU使用權的時(shí)間也會(huì )是不確定的）。筆者在用μC/OSII開(kāi)發(fā)一款車(chē)載信息娛樂(lè )系統的時(shí)候就碰到了這樣的問(wèn)題，因此設計了一種優(yōu)先級和時(shí)間片相結合的調度法（也就是基于μC/OSII的時(shí)間片調度法）。

　　1 調度原理

　　這種調度法給處于就緒態(tài)的每一個(gè)任務(wù)都分配一個(gè)時(shí)間片（優(yōu)先級越高分配的時(shí)間片越長(cháng)，空閑任務(wù)得不到時(shí)間片的分配），內核按照任務(wù)的優(yōu)先級依次調度處于就緒態(tài)的任務(wù)，即當就緒態(tài)中最高優(yōu)先級的任務(wù)用完自己的時(shí)間片后，CPU控制權轉讓給就緒態(tài)中優(yōu)先級第二高的任務(wù)。該任務(wù)用完自己的時(shí)間片后，CPU控制權又轉讓給下一優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)……當就緒態(tài)的每一個(gè)任務(wù)都被調度一次之后將重新為它們分配時(shí)間片，然后又開(kāi)始新一輪的調度……[2]

　　其中要注意的是，在調度過(guò)程中如果有一個(gè)比當前任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(wù)由其他態(tài)變成了就緒態(tài)（被創(chuàng )建或獲取了一個(gè)信號量等），當前任務(wù)的CPU控制權將被剝奪；空閑任務(wù)仍然是等到其他任務(wù)都退出就緒態(tài)才獲得CPU的使用權。

　　圖1解釋了該調度法的調度過(guò)程（其中任務(wù)1優(yōu)先級最高，任務(wù)2次之，任務(wù)3最低）。

圖1 基于μC/OSII時(shí)間片調度過(guò)程

　?、?任務(wù)2和任務(wù)3都處于就緒態(tài)，任務(wù)1在等待一個(gè)信號量，優(yōu)先級中的任務(wù)2獲得CPU使用權。

　?、?任務(wù)2的時(shí)間片用完，優(yōu)先級低的任務(wù)3獲得CPU使用權。

　?、?任務(wù)3的時(shí)間片用完，任務(wù)2重新獲得CPU的使用權。

　?、?任務(wù)2的時(shí)間片還沒(méi)用完時(shí)中斷來(lái)臨，中斷服務(wù)程序獲得CPU使用權。

　?、?中斷服務(wù)程序發(fā)送了一個(gè)任務(wù)1等待的信號量，中斷服務(wù)完成后優(yōu)先級高的任務(wù)1獲得CPU使用權。

　?、?任務(wù)1的時(shí)間片用完，任務(wù)2繼續運行。

　?、?任務(wù)2的時(shí)間片用完，任務(wù)3獲得CPU使用權。

　?、?任務(wù)3的時(shí)間片用完，重新分配時(shí)間片，新一輪調度開(kāi)始。

　　2 實(shí)現方法

　　在調度算法的實(shí)現過(guò)程中，力求做到3點(diǎn)：

　?、?盡可能少地改動(dòng)μC/OSII原有的代碼；

　?、?增加的代碼在風(fēng)格上保持與原有的相一致；

　?、?兼容原有的優(yōu)先級調度法（可以很方便地選擇優(yōu)先級調度法或是時(shí)間片調度法）。

　　注：對于該小節中出現的代碼，如果是筆者增加的部分都用黑體表示。

　　2.1 數據結構中增加的變量

　　在進(jìn)程控制塊中增加兩項：

　　Typedef struct os_tcb{

　　……

#if OS_TASK_TIME_SLICE_EN>0

　　/*條件編譯，OS_TASK_TIME_SLICE_EN在os_cfg.h中定義，凡是涉及與時(shí)間片調度相關(guān)的代碼都用條件編譯。這樣，可以通過(guò)更改配置文件很方便地選擇任務(wù)調度法

*/INT16UOSTCBTimeSlice;

　　/*任務(wù)的時(shí)間片大小，在任務(wù)創(chuàng )建時(shí)被初始化，運行過(guò)程中保持不變*/

INT16UOSTCBCounter;

　　/*任務(wù)運行剩余時(shí)間計數器，每一輪調度開(kāi)始時(shí)該變量被賦值（等于OSTCBTimeSlice），運行過(guò)程中不斷遞減。當其等于0時(shí)任務(wù)被剝奪CPU使用權*/

#endif

　　}

　　由于當前任務(wù)的時(shí)間片使用完時(shí)，該任務(wù)將被從就緒表OSRdyGrp以及OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE]中清除；新一輪調度開(kāi)始時(shí)它又必須被恢復，因此筆者在uCOS_II.h文件中增加以下變量（不妨把它們稱(chēng)為“時(shí)間片調度表”）分別用于保存OSRdyGrp和OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE]。

　　OS_EXT INT8UOSTSSGrp;

　　OS_EXT INT8UOSTSSTbl[OS_RDY_TBL_SIZE];

　　另外，在uCOS_II.h文件中增加宏定義，用于表示任務(wù)時(shí)間片被用完這種狀態(tài)：

　　#defineOS_STAT_TS_USEUP0x40

2.2 相關(guān)函數的修改

　　對OS_TCBInit()、OSTimeTick()、OSTimeDly()、OS_EventTaskWait()、OS_EventTaskRdy()這5個(gè)函數的修改，是在μC/OSII基礎上實(shí)現時(shí)間片調度法的關(guān)鍵。下面將一一對這幾個(gè)函數的修改部分進(jìn)行說(shuō)明。

　　在初始化任務(wù)控制塊的函數OS_TCBInit()中，筆者添加以下代碼讓新創(chuàng )建的任務(wù)處于時(shí)間片就緒表中，并根據任務(wù)優(yōu)先級對任務(wù)的時(shí)間片大小進(jìn)行初始化。

　　OSTimeTick()函數在每個(gè)時(shí)鐘滴答被調用，在時(shí)間片調度過(guò)程中起到了遞減時(shí)間片計數器的作用。當計數器為0時(shí)，進(jìn)行任務(wù)切換或是重新給各個(gè)任務(wù)分配時(shí)間片并開(kāi)始新一輪調度。

　　OSTimeDly()函數的作用是將任務(wù)延時(shí)一定的時(shí)間。這種情況下，應該把該任務(wù)從時(shí)間片調度表中清除。

　　當某個(gè)任務(wù)須等待一個(gè)事件的發(fā)生時(shí)，信號量、互斥型信號量、郵箱及消息隊列會(huì )通過(guò)相應的PEND函數調用函數OS_EventTaskWait()，使當前任務(wù)從就緒任務(wù)表中脫離就緒態(tài)，此時(shí)還需把當前任務(wù)從時(shí)間片調度表中清除。筆者在OS_EventTaskWait()函數中添加了以下代碼：

　　相應地，當某個(gè)事件發(fā)生了，信號量、互斥型信號量、郵箱及消息隊列會(huì )通過(guò)相應的POST函數調用OS_EventTaskRdy()，從等待任務(wù)隊列中使最高優(yōu)先級任務(wù)脫離等待狀態(tài)，此時(shí)還需要把該任務(wù)添加到時(shí)間片調度表中。筆者在OS_EventTaskRdy()函數中添加了以下代碼：

　　OSTSSGrp |= bity;

　　OSTSSTbl[y] |= bitx;

　　3 應用實(shí)例

　　筆者首先把μC/OSII移植到開(kāi)發(fā)板上（MCU是意法半導體生產(chǎn)的基于A(yíng)RM7TDMI核的STR730[3]），然后如2小節所述對相關(guān)部分的源代碼進(jìn)行修改，接下來(lái)將優(yōu)先級調度法和基于μC/OSII的時(shí)間片調度法進(jìn)行比較。為此分別建立了2個(gè)任務(wù)Task_TimeConsuming()、Task_Audio()，任務(wù)的優(yōu)先級分別是5、6。

　　由于模擬的耗時(shí)任務(wù)Task_TimeConsuming()是個(gè)死循環(huán)且沒(méi)有調用OSTimeDly()函數，其優(yōu)先級又比Task_Audio()高，如果完全按照優(yōu)先級調度，系統不會(huì )有聲音輸出，因為負責聲音控制的任務(wù)Task_Audio一直得不到運行。而如果按照時(shí)間片調度（在os_cfg.h中增加#define OS_TASK_TIME_SLICE_EN 1），則聲音輸出正常，通過(guò)仿真器在Task_Audio()中設置斷點(diǎn)，程序會(huì )很快停止在斷點(diǎn)處。進(jìn)一步地，依次在Task_TimeConsuming()和Task_Audio()函數體中設置斷點(diǎn)，分別記錄兩次PC指針停止在斷點(diǎn)處時(shí)看門(mén)狗計數器的值WDG_Counter1和WDG_Counter2，可以利用WDG_Counter1和WDG_Counter2的差值估算出任務(wù)Task_Audio前后兩次被調度的時(shí)間間隔（忽略任務(wù)在切換過(guò)程中的耗時(shí)）。經(jīng)過(guò)多次計算，這個(gè)時(shí)間間隔值的范圍在58～59ms，而任務(wù)Task_TimeConsuming的時(shí)間片理論值＝64－Prio=64－5=59 ms，實(shí)驗值與理論值是非常吻合的。

　　當然，這只是簡(jiǎn)單的驗證實(shí)驗。嚴格的測試還需要兼顧信號量、互斥型信號量、郵箱及消息隊列相應的PEND、POST函數以及OSTimeDly()函數調用。鑒于篇幅關(guān)系，這里就不再贅述了。

　　結語(yǔ)

　　筆者已經(jīng)成功地把這種基于μC/OSII的時(shí)間片調度法運用到車(chē)載信息娛樂(lè )系統的開(kāi)發(fā)中。實(shí)踐證明，對于含有耗時(shí)任務(wù)的系統，尤其是在需要嚴格控制耗時(shí)任務(wù)運行時(shí)間長(cháng)度的場(chǎng)合，該調度算法會(huì )有一定的便捷性，也能保證系統的實(shí)時(shí)響應，而且整個(gè)算法只改動(dòng)了μC/OSII中的少量代碼；還可以根據實(shí)際需要調整各個(gè)任務(wù)的時(shí)間片大小，體現出了算法的實(shí)用性與靈活性。