基于ARM Cortex-M3处理器平台的μC／OS-II任务调度硬件实现

μC/OS-II 是一种基于优先级的抢占式多任务实时操作系统，包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步（信号量，邮箱，消息 队列）和内存管理等功能。它可以使各个任务独立工作，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为减化。
 

1 μC／OS-II的任务调度算法分析

1.1 μC／OS-II任务就绪表的解读

μC／OS操作系统采用优先级至上的任务调度原则，让进入就绪态任务中优先级最高的那个任务，一进入就绪态就能立即运行。μC／OS操作系统实现了一种巧妙的查表算法，利用这种算法能快速实现任务调度原则。如何从任务就绪表中，查找优先级最高的那个任务？归结起来：

两个变量（OSrdyGrp、OSRdyTb1[]）和两张表（OSMapTb1[]、OSUnMaTb1[]）。
μC／OS操作系统可支持64个任务，每个任务被赋予不同的优先级——从0级到最低优先级OS_LOWEST_PRIO，最末两个为操作系统所用，分别为统计任务和空闲任务的优先级。μC／OS-II任务就绪表如图1所示。判断任务就绪同样根据OSRdyTb1[]和OSRdyGrp两个变量来完成：OSR-dyTb1[]按任务优先级分成8组（即每一组8个任务优先级），当任务处于就绪状态时，对应的位为1，反之则为0；OSRdyTb1口组中任何一位为1时，对应的OSRdyGrp位置1。

图1 μC／OS-II任务就绪表

使任务进入就绪状态和脱离就绪状态，都是通过OSRdyTb1[]和OSRdyGrp这两个变量来查找OSMapTb1[]表完成的：

①进入就绪状态。

任务优先级的低3位用于确定任务在总就绪表OSRdyTb1[]中的位置。紧接着前面的3位用于确定是OSRclyTb1[]数组的第几个元素，两个变量都置1。

②脱离就绪状态。

代码将就绪任务表数组OSRdyTb1[]中相应元素的相应位清0，而只有当这一组中的所有任务都为脱离就绪态时，OSRdyGrp变量才会为0。
 

1.2 高优先级任务的查找

从任务就绪表中查找最高优先级任务，即从OSRdyTb1[]变量中找到最低为1的位是第几位（对应的就是最高优先级任务）。μC／OS-II采用查表的方式来找出处于就绪态的最高优先级任务，μC／OS-II中有一张256个单元的数据表OSUnMapTb1[]，表中按一定规律有128个O，64个1，32个2，16个3，8个4，4个5，2个6，1个7，还有1个0，共256字节。OSUnMapTb1[]的定义如下所示：

找出进入就绪态的最高优先级任务的代码如下：

初看这张表感觉杂乱无章，实际是很有规律的。以“OSUnMapTb1[0]～OSUnMapTb1[15]：0，0，1，0，2，0，1，0，3，0，1，0，2，0，1，0，／*0x00～0x0F*／”为例说明：

其他依次类推。

下面再以一个实例进行说明：假设变量OSRdyGrp=01011000B，表示变量OSRdyTb1[3]、OSRdyTb1[4]、OSRdyTb1[6]有任务处于就绪状态，任务调度是去查找最高优先级任务（y=OSUnMapTb1[0x58]）。由于SRdyTb1[3]>OSRdyTb1[4]>OSRdyTb1[6]，结果y=3。如果OSRdyTb1[3]=1000 0001B，则通过查表x=OS-UnMapTb1[OSRdyTb1[3]]，即可得到x=O，表明这组数中第0位为1处于最优状态。这样，prio=（y《3）+x=（3《3）+0=24。再利用这个优先级的值，查找任务控制块优先级表OSTCBPrioTb1[]，得到指向任务的任务控制块OS_TCB。
 

2 Cortex-M3中μC／OS-II任务调度的硬件实现

Cortex-M3采用精简指令集，采用Thumb-2指令，其中包括基于RTOS的硬件算法指令（CLZ），可以通过这种指令查找处于就绪态的最高优先级任务。μC／OS-II中任务的就绪态是反映在OSRdyTb1[]变量中，共计8字节（64位），对应64个任务。可以将其折分成两个32位的数据，然后分别查找这两个32位的数据中优先级最高的任务。先查找低32位，如果低32位中不为零，则找出其中最高优先级任务；否则查找高32位，找出其中最高优先级任务，高32位的的查找结果应加上数值32。

       Cotrex-M3中通过以下两条指令就可完成最高优先级任务的定位：RBIT和CLZ。RBIT的含义是把一个32位数据水平旋转180°；CLZ的含义是计算前导零的个数。

假设在OSRdyTb1[]的低32位数据中，00000000000000000000000000001100B表示优先级为2的任务和优先级为3的任务处于就绪态，现在要通过指令RBIT和CLZ找出优先级为2的任务并调度运行。运行RBIT后数据变为：
00110000000000000000000000000000000000。运行CLZ后计算出前导零的个数为2，表明优先级为2的任务处于最高就绪态。

μC／OS-II中的任务调度是通过查两次表完成最高优先级任务的查找，方法如下：

上述代码在MDK4.12软件中测试，系统时钟采用8 MHz，按照此方法进行任务调度可节省0.5μs，同时还减少了用来存放OSUnMapTb1[]的256字节的空间，缩短了代码运行时间，提高了CPU的利用率。此方法在μC／OS-II的任务通信中也同样适用。在此不再赘述。
 

结语

本文主要对μC／OS-II中的任务调度算法作了分析，特别阐述了OSUnMapTb1[]表是如何构成的，同时介绍了基于ARM Cortex-M3处理器平台的μC／OS-II的任务调度硬件实现方法，简化了μC／OS-II的代码，提高了处理器的性能。