俞佳敏，王成群，徐偉強

(浙江理工大學 信息學院，浙江 杭州310018)

0 引言

μC/OS-II作為一個開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)，包含任務管理與任務調(diào)度，具有小巧、實時性強、移植性好[1-4]、基于優(yōu)先級的多任務可剝奪等優(yōu)點[5]。在μC/OS-II系統(tǒng)運行過程中，任務管理函數(shù)通過中斷操作，確保當前處于就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級任務最先運行，能夠保證任務的實時性。近年來，μC/OS-II已在控制器[6]、數(shù)據(jù)采集[7]以及物聯(lián)網(wǎng)[8]等諸多領(lǐng)域取得了諸多應用。

除實際應用之外，近年來也出現(xiàn)了諸多對μC/OS-II性能分析及提升的成果。Lv[9]等采用靜態(tài)方法分析了μC/OS-II作為實時操作系統(tǒng)的最壞執(zhí)行時間；朱怡安[10]等基于μC/OS-II提出了一種高可靠性的分區(qū)嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，并通過實驗進行了驗證；隋宇暉[11]等提出了基于FPGA的硬件加速模塊，將μC/OS-II中的調(diào)度器與定時器進行硬件化，有效地提高了系統(tǒng)的實時性；李巖[12]等提出基于μC/OS-II的混合調(diào)度算法對同級任務進行分組調(diào)度，并在FPGA中實現(xiàn)了該算法，有效降低了系統(tǒng)的開銷并提高了關(guān)鍵任務的實時性；許璐璐[13]等提出采用增量鏈表的方式對任務延時進行高效管理。然而這些成果都是基于μC/OS-II最大64個優(yōu)先級任務，隨著μC/OS-II在工業(yè)等行業(yè)運用得越來越廣泛，64個優(yōu)先級任務已無法滿足目前的需求。因此，本文研究了μC/OS-II的優(yōu)先級擴展，實現(xiàn)了最大512個優(yōu)先級任務。

1 μC/OS-II優(yōu)先級機制

μC/OS-II給每一個任務分配一個惟一優(yōu)先級，各優(yōu)先級用一個正整數(shù)表示，優(yōu)先級大小與該整數(shù)值成正比，即0為最大優(yōu)先級，數(shù)值越大，優(yōu)先級越小。μC/OS-II系統(tǒng)將在當前已處于就緒狀態(tài)的任務中選擇最高優(yōu)先級的任務進行調(diào)度[14]。μC/OS-II最大支持64個任務優(yōu)先級，即優(yōu)先級范圍為(0～63)，其中統(tǒng)計任務以及空閑任務等系統(tǒng)任務占用最低的兩個優(yōu)先級，導致實際可用的任務優(yōu)先級數(shù)減少。

μC/OS-II中定義了一個用于存放任務準備就緒標志的就緒表，就緒表為每次任務切換提供可確定性的時間保證。為了就緒表的正常使用，uCOS-II定義了變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[7]，以及表格優(yōu)先級判斷表OSUnMapTbl[256][15]。如圖1所示，由于μC/OS-II最大支持64個優(yōu)先級，就緒表由一個8乘8的表格組成，每個格子內(nèi)為0或1，其中置1則代表該優(yōu)先級下的任務處于就緒狀態(tài)。實質(zhì)上，就緒表被分成8行，即每一行分別為8個優(yōu)先級，其中OSRdyGrp為8位正整數(shù)類型，若第n(0≤n≤7)行中有相應優(yōu)先級的任務就緒，則該位置1，否則默認為0。

圖1 μC/OS-II就緒表

數(shù)組OSRdyTbl[7]中每一個數(shù)均為8位正整數(shù)類型，OSRdyTbl[n](0≤n≤7)中的8位分別代表第n行中8個優(yōu)先級任務就緒情況，若相對應位置的任務就緒，則置1，否則默認為0。μC/OS-II中優(yōu)先級prio定義為一個8位正整數(shù)類型的變量，最大64個優(yōu)先級時僅用到前6位，通過規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，低3位X可以代表該優(yōu)先級在就緒表某行中位置，3位Y可以確定該優(yōu)先級具體所在的行數(shù)。圖2為μC/OS-II提供的優(yōu)先級判斷表OSUnMapTbl[256]，優(yōu)先級判斷表由位掩碼表轉(zhuǎn)換而來。通過該表以及OSRdyGrp和OSRdyTbl[7]這兩個變量，任務調(diào)度時能夠快速找到目前處于就緒狀態(tài)的優(yōu)先級最高的任務。

圖2 μC/OS-II優(yōu)先級判斷表

2 μC/OS-II優(yōu)先級擴展

為了使μC/OS-II最大支持512個優(yōu)先級任務，首先將變量prio擴展至16位正整數(shù)類型，并且采用16乘32的就緒表，即共16行，每行有32個優(yōu)先級任務是否就緒的標志。相應地，OSRdyGrp擴展至16位正整數(shù)類型，OSRdyTbl[7]擴展至OSRdyTbl[15]，且其中每個數(shù)擴展為32位正整數(shù)類型。但是在這種情況下，按照μC/OS-II所提供在優(yōu)先級判斷表基礎(chǔ)上采用OSRdyGrp和OSRdyTbl[]計算目前就緒的最高優(yōu)先級任務的算法不再適用。這是由于當前OSRdyTbl[]中個數(shù)為32位正整數(shù)類型，無法在16乘16的優(yōu)先級判斷表中進行匹配查找。一種解決該問題的方法是將優(yōu)先級判斷表擴展至16乘32的形式，但這樣無疑會大大浪費寶貴的空間資源。為此，本文在擴展優(yōu)先級過程中采用按位判斷的方式實現(xiàn)在原來的優(yōu)先級判斷表中查找當前就緒的最高優(yōu)先級任務。

具體地，對于16位的優(yōu)先級變量，通過低5位可以確定該優(yōu)先級任務在就緒表中某行中的具體位置X，通過第6～9位可以確定具體所在的行數(shù)Y。X，Y分別可以表示為：

Y= (prio >> 5) & 0xFF,

X= (prio & 0x1F);

為將計算得到X，Y更新至就緒表中，X，Y需轉(zhuǎn)換為BitX，BitY：

BitX= 1 <

BitY= 1 <

隨后更新變量OSRdyGrp和OSRdyTbl[]：

OSRdyGrp |= BitY,

OSRdyTbl[OSTCBY] |=BitX。

通過上述步驟，已經(jīng)能夠成功將0～511之間的優(yōu)先級變量分解并更新至就緒表中。此外，要實現(xiàn)擴展優(yōu)先級的另一個重要難點在于如何通過OSRdyGrp和OSRdyTbl[]在μC/OS-II原有的優(yōu)先級判斷表中尋找當前就緒的最高優(yōu)先級任務。對此，采用分類討論的方法去尋找就緒的最高優(yōu)先級任務。

首先，通過OSRdyGrp確定目前就緒的最高優(yōu)先級任務所在行y，由于優(yōu)先級判斷表輸入值在0x00～0xFF之間，所以分為以下2種情況計算y值：

if ((OSRdyGrp & 0xFF) != 0) {

y= OSUnMapTbl[OSRdyGrp & 0xFF];}

else {

y= OSUnMapTbl[(OSRdyGrp >> 8) & 0xFF] + 8;

}。

然后需要計算的是第y行中最高優(yōu)先級所在的位置x。在優(yōu)先級任務擴展為512時，就緒表每行為32個不同優(yōu)先級，即x取值范圍為0～31，而μC/OS-II原有的優(yōu)先級判斷表輸出的x最大值為7，顯然無法滿足此時的需求。因此采用逐級查找的方式確定x值，即首先判斷OSRdyTbl[y]的低8位是否為0x00，若為0，則在該行的第0～7個位置對應已就緒的優(yōu)先級任務不存在；若不為0x00，則代表在第0～7個位置上有對應已就緒的優(yōu)先級任務，則直接用OSRdyTbl[y]的低8位放入優(yōu)先級判斷表中得到x。當OSRdyTbl[y]的低8位為0時，檢查OSRdyTbl[y]的第9～16位是否為0x00，若是，則表示在該行的第8～15個位置對應已就緒的優(yōu)先級任務不存在；反之則代表在第8～15個位置上有對應已就緒的優(yōu)先級任務，則直接用OSRdyTbl[y]的低8位放入優(yōu)先級判斷表中，將判斷表輸出的值加8即為所求x的值，加上數(shù)值8是由于優(yōu)先級判斷表只輸出該x在第8～15個位置中的相對位置，所以需要再加上未包含進去的數(shù)值8。同樣地，依次類推，當OSRdyTbl[y]的第1～16位為0x0000時，依次計算第17～24位以及第25～32位的情況，若滿足條件，則分別加上數(shù)值16或24以得到x。具體關(guān)鍵實現(xiàn)代碼如下：

ptbl = &OSRdyTbl[y];

if ((*ptbl & 0xFF) != 0) {

x= OSUnMapTbl[(*ptbl & 0xFF)];}

else{

if (((*ptbl >> 8) & 0xFF) != 0) {

x= OSUnMapTbl[((*ptbl >> 8) & 0xFF)]

+ 8;}

else {

if (((*ptbl >> 16) & 0xFF) != 0){

x= OSUnMapTbl[((*ptbl >> 16) & 0xFF] +16;}

else{

if (((*ptbl >> 24) & 0xFF) != 0){

x= OSUnMapTbl[((*ptbl >> 24) &0xFF)]+ 24;}

}

}

}

}

計算得到x，y便可以計算當前就緒的最高優(yōu)先級任務的優(yōu)先級數(shù)值OSPrioHighRdy，具體如下：

OSPrioHighRdy = (y<< 5) +x;

至此，通過上述分類考慮的方法，成功實現(xiàn)了通過OSRdyGrp和OSRdyTbl[]在μC/OS-II原有的優(yōu)先級判斷表中找到當前就緒的最高優(yōu)先級任務。同時實現(xiàn)了將μC/OS-II支持的最大優(yōu)先級任務個數(shù)從64個提高到512個。

3 實驗驗證及分析

在實驗驗證中，分別創(chuàng)建優(yōu)先級為2，14，48，128，255，300，356，454，508的任務，并且上述任務創(chuàng)建后即進入就緒狀態(tài)。由于兩個系統(tǒng)任務統(tǒng)計任務以及空閑任務分別占用了最低的510與511兩個優(yōu)先級，為了體現(xiàn)這一點，設置上述創(chuàng)建的任務分別執(zhí)行一次就停止，并只運行一次統(tǒng)計任務，這樣系統(tǒng)才會開始運行空閑任務。實驗結(jié)果如圖3所示，所有任務被成功創(chuàng)建，且按照優(yōu)先級順序從高往低運行，當系統(tǒng)無就緒的用戶任務時，空閑任務將一直運行。圖3中y與x值分別體現(xiàn)了該任務在就緒表中的位置。同時，統(tǒng)計任務以及空閑任務占據(jù)最低的兩個優(yōu)先級，符合實驗的預期結(jié)果。

圖3 實驗結(jié)果

通過實驗結(jié)果，驗證了本文提出的優(yōu)先級擴展方法成功地將μC/OS-II支持的最大優(yōu)先級任務個數(shù)提高到了512。

4 結(jié)束語

通過研究μC/OS-II的優(yōu)先級設置機制，在原優(yōu)先級判斷表的基礎(chǔ)上，采用分類判斷的方式將其支持的最大優(yōu)先級數(shù)擴展到512個。通過實驗驗證，該方法成功地實現(xiàn)了最大優(yōu)先級數(shù)的擴展，并未增加系統(tǒng)的空間。擴展μC/OS-II支持的最大優(yōu)先級數(shù)能夠使其被應用得更加廣泛，進一步促進μC/OS-II的發(fā)展。