μC／OS-II就緒表算法在Cortex-M3架構上的適配設計

μc／Os-Ⅱ的就緒表設置、清除、查找算法，是高效的、跨平臺的程序。它使用了兩個(gè)查找數組OSMapTbl[8]和OSUnMapTbl[256]，以提高查找就緒表的速度，盡快獲取就緒任務(wù)的最高優(yōu)先級。

Cortex-M3是ARM公司較新的一種架構版本，主要應用在單片機領(lǐng)域?；谒a(chǎn)的32位芯片日益增多；cortex-M3只支持Thumb-2指令集，在效能和代碼密度間能取得更佳的表現。

　　1 在A(yíng)RM上改動(dòng)算法的因由利弊

由于就緒表操作是在關(guān)中斷狀態(tài)下運行的，其執行影響到系統的中斷響應時(shí)間，因此就緒表操作算法的效率是衡量實(shí)時(shí)操作系統優(yōu)劣的基準之一。

在Cortex-M3所用的指令集中，一些指令功能不可小覷，如前導零計數clz、字內位反轉rbit、位清除bic。其中的clz和bic為μc／Os就緒表的高優(yōu)先級獲取算法指出了另一條道路。

(1)改動(dòng)后的優(yōu)勢

①節省存儲空間。不再使用查找數組OSMapTbl[8]和OSUnMapTbl[256]。設立這兩個(gè)數組的目的，是為了提高查找就緒表的效率。
②提升查找效率。clz是單周期指令，使用帶移位的加法指令，大幅縮短運算時(shí)間。
③增加了μc／Os-Ⅱ支持的任務(wù)數量，從64提升到了1 024(2．84版支持的任務(wù)數量已經(jīng)到了256，不過(guò)效率有所下降)。

(2)存在的不足

①Realview MDK(這里使用的是3．20版及其指令模擬器)尚不支持在C語(yǔ)言程序中使用Thumb-2指令內聯(lián)匯編。使用內嵌匯編函數時(shí)，函數的調用(跳轉返回)降低了執行效率。
②C語(yǔ)言對clz指令的支持尚有不足，故新算法跨平臺性差。但鑒于A(yíng)RM芯片應用廣泛，指令又被ARM9之后的芯片廣泛兼容，所以應用空間還算廣闊。

2 μc／Os-Ⅱ就緒表算法介紹與具體改動(dòng)

μc／Os-Ⅱ就緒表是一個(gè)數組，數組元素一位的值(1或0)對應了一個(gè)任務(wù)就緒與否，該位在數組中的位置表示任務(wù)的優(yōu)先級。當需要調度已就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)運行時(shí)，就在就緒表中查找該任務(wù)。

2．1 μc／Os-Ⅱ就緒表算法簡(jiǎn)介

一種解決方法是，對數組各項依次判斷是否為0：若>O，進(jìn)入該項查找最小權的置1位位置；若=0，優(yōu)先級加一個(gè)基數，查下一項，直至查到該優(yōu)先級。

μc／Os-Ⅱ技高一籌，設置了一個(gè)對就緒表各項判斷是否為0的變量，稱(chēng)之為就緒表組。就緒表組一位為0或1，對應就緒表一項的值是否為0。通過(guò)查找就緒表組最小權位的置1位位置，就確定了對應首個(gè)>0的就緒表項的下標，從而避免了循環(huán)，大幅度提高了效率。

2．2改動(dòng)方式與源碼

clz算法接受了μc／Os-Ⅱ的思路，再通過(guò)使用clz指令來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。不同的是，clz是從右往左查，二進(jìn)制的高權位對應高優(yōu)先級，而μc／Os-Ⅱ優(yōu)先級以值小為高。

考慮到有時(shí)用不到很多任務(wù)，這時(shí)用數組作就緒表不免浪費。因此當任務(wù)總數小于32時(shí)，就用32位無(wú)符號整數變量作就緒表。注意，此時(shí)就緒表組變量OSRdyGrp被當作就緒表使用。

常量OS_LES_TSK表示是否使用較小任務(wù)數，0表示使用最多32個(gè)任務(wù)，1表示使用最多1 024個(gè)任務(wù)。
常量RdySt是將32位整數的最高權位置1，以便移位使用。

2．3 C語(yǔ)言實(shí)現

以下算法利用內嵌clz指令的函數編寫(xiě)，實(shí)現了指定優(yōu)先級任務(wù)在就緒表的設置、清除，在就緒表中查找就緒任務(wù)的最高優(yōu)先級。

程序中的bx r14，有些資料上要求必須寫(xiě)，不過(guò)查看反匯編代碼，編譯程序已經(jīng)給加上了?？磥?lái)是編譯程序已升級，會(huì )不會(huì )出錯要看使用的編譯器，建議還是按規范寫(xiě)上。由于內嵌函數調用返回耗時(shí)，查找算法未能充分發(fā)揮，需改進(jìn)編譯后的匯編代碼以實(shí)現更高的效率，或使用匯編代碼重寫(xiě)這部分程序。

2．4 THUMB-2匯編指令實(shí)現

用匯編語(yǔ)言寫(xiě)程序時(shí)的技巧：在最高優(yōu)先級任務(wù)的設置、清除函數中，C語(yǔ)言運算符“︱=”對等匯編指令“orr”，“＆=～”對等匯編指令“bic。這兩條指令都可以進(jìn)行預移位操作，大幅提高執行效率?？梢圆榭捶磪R編源碼，看C編譯器是否利用了這一便利。

在查找函數中，可以省去C語(yǔ)言程序中的內嵌匯編調用，減少冗余指令。示意偽代碼如下：
ldr rO， =OsRdyGrp；加載就緒表組變量OSRdyGrp地址

可以看出，除了數據加載指令外，查找的核心算法僅3條指令(使用32個(gè)任務(wù)時(shí)，僅1條指令)。不過(guò)在實(shí)際設計算法的時(shí)候，還需要考慮指令流水線(xiàn)停頓，方能達到最佳的效果。

　　2．5 μC／OS-Ⅱ2．84版相關(guān)源碼介紹

以下是翻譯整理后的μC／OS-Ⅱ優(yōu)先級查找算法源碼(2．84版)，較長(cháng)的注釋是添加的算法說(shuō)明。

clz最高優(yōu)先級查找算法，與μC／OS-Ⅱ的新算法有所不同：返回的結果分別是8位、16位整數。這是因為8位已經(jīng)不能表示>255的值；過(guò)程中clz算法更多地使用16或32位整數，以充分利用芯片性能。

3 適用范圍

等待任務(wù)列表使用了與就緒表操作相似的過(guò)程，注意要同時(shí)更改其數據類(lèi)型和算法。算法雖然是在Cortex—M3上執行的，但適用于A(yíng)RM9及其以后芯片。支持ARM指令集的芯片，可以在C語(yǔ)言中使用內嵌匯編，不必再編寫(xiě)匯編查找函數。

本文所敘述的算法適用于下述兩種情況。
①使用μC／OS-Ⅱ系統：
◆要求更多的任務(wù)優(yōu)先級；
◆要求產(chǎn)品性能優(yōu)越或是時(shí)間關(guān)鍵的應用，想進(jìn)一
步提高效率；
◆學(xué)習、研究或希望優(yōu)化μC／OS-Ⅱ以擴展其應用范圍。
②未使用μC／OS-Ⅱ系統：
◆移植改造其他操作系統的就緒表算法；
◆編寫(xiě)新操作系統或執行調度程序；
◆編程愛(ài)好者借鑒、改進(jìn)編程方法。

　　結 語(yǔ)

Cortex-M3推出時(shí)，筆者就認定它是單片機過(guò)渡到ARM的有力工具，其小存儲量使得它更適合用小型實(shí)時(shí)系統。在學(xué)習μC／OS-Ⅱ的過(guò)程中，發(fā)現其就緒表操作算法經(jīng)過(guò)改動(dòng)或許更好，于是就做了本文所述的試驗。