務(wù)調(diào)度算法 - μC/OS的任務(wù)調(diào)度優(yōu)化實現(xiàn)方法（編程）

μC/OS的任務(wù)調(diào)度算法采用了以空間換時間的策略，將特定字節(jié)值的最低位1所在位的信息預(yù)先計算并保存到表中，運行時通過查表快速得到;每個任務(wù)的TCB中除了保存優(yōu)先級信息本身外，還使用額外的4個字節(jié)保存優(yōu)先級的高低3位和對應(yīng)的OSUnMapTbl值，以避免運行時實時計算這幾個值所帶來的延遲。這些措施增加了系統(tǒng)ROM和RAM的開銷。

3 利用PowerPC“數(shù)出前導零數(shù)目”指令實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度

PowerPC是Motorola 、IBM和Apple三家公司于20世紀90年代初期聯(lián)合設(shè)計的32位CPU。Freescale(其前身是Motorola半導體部)發(fā)展了針對汽車電子的MPC5xx系列單片機及后續(xù)基于e200內(nèi)核的MPC5xxx系列單片機;更高端的e500、e600內(nèi)核是用于通信領(lǐng)域的MPC6xxx、7xxx和8xxx系列。

下面對μC/OS任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度算法的改進和優(yōu)化是在MPC5554單片機上實現(xiàn)的。

PowerPC處理器具有一條“數(shù)出前導零數(shù)目” 的指令cntlzw(count leading zero word)，可以以硬件指令方式實現(xiàn)優(yōu)先級的多任務(wù)調(diào)度算法。這條指令也可用于圖像處理和算法加密的場合。該指令數(shù)出一個32位寄存器中前置零的數(shù)目，例如，返回0表示b0不為零，即沒有前導零;返回3表示b3不為零，b3位的前面從b0到b2共有3個零;返回32表示RS寄存器中所有的位都為零。(在PowerPC架構(gòu)中，最高位MSB表示為b0，低位MSB根據(jù)位寬表示為b7、b15或b31。)

利用這條指令，用匯編語言改寫尋找最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)的函數(shù)，則不需要進行循環(huán)移位判斷，可以直接從64個任務(wù)中找出優(yōu)先級最高的那個任務(wù)。代碼如下：

asm INT8U FindHighestRdyTask(void){

lisr5,OSRdyTbl@ha//讓r5寄存器指向OSRdyTbl[]

orir5,r5,OSRdyTbl@l

lwzr3,0(r5)//將OSRdyTbl[0]的值載入r3寄存器

cntlzwr3,r3//計算OSRdyTbl[0]中前導零數(shù)目

cmpi0,0,r3,32//判斷前32個任務(wù)是否就緒

bne __FindEnd//如果前導零數(shù)目為32，說明前32個任務(wù)均未就緒，需要從后32個任務(wù)中尋找

lwzr4,4(r5)//將OSRdyTbl[1]的值載入r4寄存器

cntlzwr4,r4//計算OSRdyTbl[1]的前導零數(shù)目

addir3,r4,32//后32個任務(wù)需要加上偏移量

__FindEnd:

blr //返回值保存在r3寄存器中

}

在這段代碼中，首先判斷前32個任務(wù)是否有處于就緒態(tài)的，如果沒有的話，再對后32個任務(wù)進行判斷。由于優(yōu)先級最低的空閑任務(wù)總是處于就緒態(tài)，所以后32個任務(wù)總能返回一個有效值。該代碼在前32個任務(wù)有就緒態(tài)時運行7條指令，在前32個任務(wù)均沒有就緒時需要執(zhí)行10條指令;而μC/OS原有的代碼編譯出來的匯編程序，則需要運行15條指令。

使用這個方法的另一個好處是不再需要使用256字節(jié)的OSUnMapTbl表，任務(wù)控制塊TCB也不需要使用OSTCBX、OSTCBY和OSTCBBitY、OSTCBBitX變量，每個ECB中也不再需要OSRdyGrp，這也減少了對ROM和RAM的占用。

4 改進擴展任務(wù)數(shù)的優(yōu)先級調(diào)度性能

當對μC/OSII支持的任務(wù)數(shù)進行擴展時，按照μC/OSII原有的做法，需要按照高低字節(jié)分別查找OSUnMapTbl對照表。任務(wù)數(shù)為256時，尋找最高優(yōu)先級就緒任務(wù)的函數(shù)將需要運行約35條指令。數(shù)出前導零數(shù)目的指令在這種情況下的作用將更加顯著，對于32位PowerPC處理器，精心設(shè)計的代碼可以做到僅需10條指令就將任務(wù)數(shù)擴展到1024個。

此時OSRdyGrp擴展為32位，OSrdyTbl擴展成32個32位的數(shù)組。從OSRdyGrp得到的前導零數(shù)目，就是任務(wù)優(yōu)先級高5位的值，乘以4可以得到該字的相對偏移地址;在OSRdyTbl中，定義高位對應(yīng)高優(yōu)先級任務(wù)，低位對應(yīng)低優(yōu)先級任務(wù)，則其前導零數(shù)目就是任務(wù)優(yōu)先級低5位的值，和高5位的值移位相加就得到完整的任務(wù)優(yōu)先級。通過將OSRdyGrp和OSRdyTbl定義成結(jié)構(gòu)體，利用結(jié)構(gòu)體首地址的相對尋址來分別讀取其數(shù)值，可以減少一次取地址的操作。

尋找最高優(yōu)先級就緒態(tài)的最終代碼如下：

typedef struct {//定義結(jié)構(gòu)體

INT32U Tbl[32];

INT32U Grp;

} OSTaskRdyBlock;

OSTaskRdyBlock OSRdy;//定義全局變量OSRdy

asm INT16U FindHighestRdyTask(void){

lisr5,OSRdy@ha//將OSRdy結(jié)構(gòu)體指針載入r5寄存器

orir5,r5,OSRdy@l

lwzr3,128(r5)//OSRdy.Grp在結(jié)構(gòu)體中具有固定偏移量

cntlzwr3,r3//數(shù)出OSRdyGrp的前導零數(shù)目

slwir6,r3,2//得到OSRdyTbl的地址偏移量

lwzxr4,r6,r5//通過結(jié)構(gòu)體指針，讀取OSRdy.Tbl的對應(yīng)字

cntlzwr4,r4//計算OSRdyTbl對應(yīng)字的前導零數(shù)目

slwir3,r3,5//任務(wù)優(yōu)先級高5位移位

addr3,r4,r3//和優(yōu)先級低5位相加，得到完整優(yōu)先級

blr//返回

}

在64位的PowerPC 更有cntlzd(Count Leading Zero Double word)指令，一次就可以找出64個任務(wù)中優(yōu)先級最高的那個，就更沒有必要使用μC/OSII中的算法了。

5 總結(jié)

RTOS實時內(nèi)核μC/OS和μC/OSII中，任務(wù)調(diào)度算法巧妙，性能優(yōu)異，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域很有影響力，被移植到各種CPU上。然而由于是為8位CPU設(shè)計的，對于那些具有優(yōu)先級硬件算法指令的16/32/64位CPU，μC/OSII的軟件算法就完全失去了優(yōu)勢。應(yīng)該利用這類CPU的特有指令，優(yōu)化任務(wù)調(diào)度算法，使RTOS的實時性達到最佳。對于這類處理器，僅移植μC/OSII軟件算法是很不夠的，應(yīng)該利用相關(guān)硬件算法指令。