圖文詳解uCOS-II優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度在PowerPC上的移植和優(yōu)化

μC/OS是Jean J.Labrosse開發(fā)的實時多任務(wù)內(nèi)核，最初是為Motorola 8位處理器68HC11寫的。在后來的相關(guān)著作中，作者將代碼移植到了PC上，以便于更多的讀者學(xué)習(xí)。μC/OSII繼承了μC/OS的算法，有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性強和可擴展性好等特點，被移植到幾乎所有類型的CPU上，成為在嵌入式領(lǐng)域非常有影響力的RTOS。然而，由于該實時內(nèi)核是為8位CPU設(shè)計的，對于那些具有優(yōu)先級算法硬件指令的CPU，僅做移植是很不夠的。
　　1 基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度
　　一個基于優(yōu)先級的實時多任務(wù)內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度機制需要實現(xiàn)下面三個核心的處理功能：
　　◆ 將任務(wù)置于就緒態(tài)；
　　◆ 將任務(wù)取消就緒態(tài)；
　　◆ 找出最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)。
　　在32位機上運行64個任務(wù)，可使用兩個32位的整型變量數(shù)組OSRdyTbl ［2］，建立一個64位的任務(wù)就緒態(tài)向量;每一位表示對應(yīng)優(yōu)先級的任務(wù)是否處于就緒態(tài)，例如OSRdyTbl ［0］的第4位為1表示優(yōu)先級為4的任務(wù)處于就緒態(tài)。構(gòu)造如下的三個函數(shù)，用來完成設(shè)置任務(wù)就緒、取消任務(wù)就緒和尋找當(dāng)前最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)。
　　
　　上述代碼可在任何處理器上實現(xiàn)所需的功能，沒有考慮任何的優(yōu)化和改進(jìn)。通過這樣的原理性函數(shù)，可以更好地理解多任務(wù)內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度。
　　尋找最高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)的函數(shù)調(diào)用頻率高，其執(zhí)行時間直接影響內(nèi)核的任務(wù)切換延遲時間，影響系統(tǒng)實時性。上述尋找最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)的代碼，隨當(dāng)前就緒任務(wù)的優(yōu)先級不同，其循環(huán)次數(shù)也不同，導(dǎo)致其運行時間不確定。
　　2 μC/OS的任務(wù)調(diào)度實現(xiàn)方法
　　μC/OS和μC/OSII是為8位CPU寫的，采用8位機算法，支持64個任務(wù)。使用8個字節(jié)的OSRdyTbl全局?jǐn)?shù)組，表示所有任務(wù)的就緒態(tài)信息：1為任務(wù)就緒，0為非就緒。數(shù)組第一個字節(jié)的b0位代表64個任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，最后一個字節(jié)的b7位代表優(yōu)先級最低的空閑任務(wù)，永遠(yuǎn)為1。當(dāng)OSRdyTbl 數(shù)組的數(shù)據(jù)不為0時（表示對應(yīng)的8個任務(wù)中至少有1個進(jìn)入就緒態(tài)），另一個單字節(jié)全局變量OSRdyGrp 中的相應(yīng)位要置1。當(dāng)任務(wù)狀態(tài)發(fā)生變化時，需更新OSRdyGrp和OSRdyTbl中對應(yīng)的位。
　　尋找最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)時，μC/OS使用了預(yù)先固化的256字節(jié)的對照表OSUnMapTbl，給出特定字節(jié)值的最低位1所在位的信息。查表算法避免了逐位檢測各優(yōu)先級位引起的執(zhí)行時間的不確定性，程序簡單，執(zhí)行速度快，與就緒任務(wù)多少和優(yōu)先級無關(guān)。
　　對于取值0～63的任務(wù)優(yōu)先級，μC/OS將其劃分成高3位的Y和低3位的X，并保存在其任務(wù)控制塊TCB的OSTCBX和OSTCBY中，其對應(yīng)的OSUnMapTbl的值保存在OSTCBBitY和OSTCBBitX變量中，以提高運算速度。為了避免函數(shù)調(diào)用所帶來的額外開銷，μC/OS直接用語句實現(xiàn)如下的三部分功能。
　?、?設(shè)置任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)
　　OSRdyGrp |= ptcb》OSTCBBitY;
　　OSRdyTbl［ptcb﹥OSTCBY］ |= ptcb》OSTCBBitX;
　　② 設(shè)置任務(wù)退出就緒態(tài)。
　　y = OSTCBCur》OSTCBY;
　　OSRdyTbl［y］ &= ~OSTCBCur》OSTCBBitX;
　　if （OSRdyTbl［y］ == 0） {
　　OSRdyGrp &= ~OSTCBCur》OSTCBBitY;
　　}
　　③ 尋找最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)。以O(shè)SRdyGrp的值做偏移量，查OSUnMapTbl表，得到1個0到7的數(shù)Y，作為優(yōu)先級高3位，再根據(jù)Y的值，找出OSRdyTbl中對應(yīng)的字節(jié)，并且再次查OSUnMapTbl表，得到1個0到7的數(shù)X，作為優(yōu)先級低3位的值，通過將Y左移3位再加上X的值，得到就緒任務(wù)中優(yōu)先級最高的那個。
　　y = OSUnMapTbl［OSRdyGrp］;
　　OSPrioHighRdy = （INT8U）（（y 《《 3） + OSUnMapTbl［OSRdyTbl［y］］）;
　　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(dǎo)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(jì)90年代初期聯(lián)合設(shè)計的32位CPU。Freescale（其前身是Motorola半導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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：
　　
　　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(jìn)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。