务调度算法 - μC/OS的任务调度优化实现方法（编程）

μC/OS的任务调度算法采用了以空间换时间的策略，将特定字节值的最低位1所在位的信息预先计算并保存到表中，运行时通过查表快速得到;每个任务的TCB中除了保存优先级信息本身外，还使用额外的4个字节保存优先级的高低3位和对应的OSUnMapTbl值，以避免运行时实时计算这几个值所带来的延迟。这些措施增加了系统ROM和RAM的开销。

3 利用PowerPC“数出前导零数目”指令实现任务调度

PowerPC是Motorola 、IBM和Apple三家公司于20世纪90年代初期联合设计的32位CPU。Freescale(其前身是Motorola半导体部)发展了针对汽车电子的MPC5xx系列单片机及后续基于e200内核的MPC5xxx系列单片机;更高端的e500、e600内核是用于通信领域的MPC6xxx、7xxx和8xxx系列。

下面对μC/OS任务优先级调度算法的改进和优化是在MPC5554单片机上实现的。

PowerPC处理器具有一条“数出前导零数目” 的指令cntlzw(count leading zero word)，可以以硬件指令方式实现优先级的多任务调度算法。这条指令也可用于图像处理和算法加密的场合。该指令数出一个32位寄存器中前置零的数目，例如，返回0表示b0不为零，即没有前导零;返回3表示b3不为零，b3位的前面从b0到b2共有3个零;返回32表示RS寄存器中所有的位都为零。(在PowerPC架构中，最高位MSB表示为b0，低位MSB根据位宽表示为b7、b15或b31。)

利用这条指令，用汇编语言改写寻找最高优先级的就绪任务的函数，则不需要进行循环移位判断，可以直接从64个任务中找出优先级最高的那个任务。代码如下：

asm INT8U FindHighestRdyTask(void){

lisr5,OSRdyTbl@ha//让r5寄存器指向OSRdyTbl[]

orir5,r5,OSRdyTbl@l

lwzr3,0(r5)//将OSRdyTbl[0]的值载入r3寄存器

cntlzwr3,r3//计算OSRdyTbl[0]中前导零数目

cmpi0,0,r3,32//判断前32个任务是否就绪

bne __FindEnd//如果前导零数目为32，说明前32个任务均未就绪，需要从后32个任务中寻找

lwzr4,4(r5)//将OSRdyTbl[1]的值载入r4寄存器

cntlzwr4,r4//计算OSRdyTbl[1]的前导零数目

addir3,r4,32//后32个任务需要加上偏移量

__FindEnd:

blr //返回值保存在r3寄存器中

}

在这段代码中，首先判断前32个任务是否有处于就绪态的，如果没有的话，再对后32个任务进行判断。由于优先级最低的空闲任务总是处于就绪态，所以后32个任务总能返回一个有效值。该代码在前32个任务有就绪态时运行7条指令，在前32个任务均没有就绪时需要执行10条指令;而μC/OS原有的代码编译出来的汇编程序，则需要运行15条指令。

使用这个方法的另一个好处是不再需要使用256字节的OSUnMapTbl表，任务控制块TCB也不需要使用OSTCBX、OSTCBY和OSTCBBitY、OSTCBBitX变量，每个ECB中也不再需要OSRdyGrp，这也减少了对ROM和RAM的占用。

4 改进扩展任务数的优先级调度性能

当对μC/OSII支持的任务数进行扩展时，按照μC/OSII原有的做法，需要按照高低字节分别查找OSUnMapTbl对照表。任务数为256时，寻找最高优先级就绪任务的函数将需要运行约35条指令。数出前导零数目的指令在这种情况下的作用将更加显著，对于32位PowerPC处理器，精心设计的代码可以做到仅需10条指令就将任务数扩展到1024个。

此时OSRdyGrp扩展为32位，OSrdyTbl扩展成32个32位的数组。从OSRdyGrp得到的前导零数目，就是任务优先级高5位的值，乘以4可以得到该字的相对偏移地址;在OSRdyTbl中，定义高位对应高优先级任务，低位对应低优先级任务，则其前导零数目就是任务优先级低5位的值，和高5位的值移位相加就得到完整的任务优先级。通过将OSRdyGrp和OSRdyTbl定义成结构体，利用结构体首地址的相对寻址来分别读取其数值，可以减少一次取地址的操作。

寻找最高优先级就绪态的最终代码如下：

typedef struct {//定义结构体

INT32U Tbl[32];

INT32U Grp;

} OSTaskRdyBlock;

OSTaskRdyBlock OSRdy;//定义全局变量OSRdy

asm INT16U FindHighestRdyTask(void){

lisr5,OSRdy@ha//将OSRdy结构体指针载入r5寄存器

orir5,r5,OSRdy@l

lwzr3,128(r5)//OSRdy.Grp在结构体中具有固定偏移量

cntlzwr3,r3//数出OSRdyGrp的前导零数目

slwir6,r3,2//得到OSRdyTbl的地址偏移量

lwzxr4,r6,r5//通过结构体指针，读取OSRdy.Tbl的对应字

cntlzwr4,r4//计算OSRdyTbl对应字的前导零数目

slwir3,r3,5//任务优先级高5位移位

addr3,r4,r3//和优先级低5位相加，得到完整优先级

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个任务中优先级最高的那个，就更没有必要使用μC/OSII中的算法了。

5 总结

RTOS实时内核μC/OS和μC/OSII中，任务调度算法巧妙，性能优异，在嵌入式应用领域很有影响力，被移植到各种CPU上。然而由于是为8位CPU设计的，对于那些具有优先级硬件算法指令的16/32/64位CPU，μC/OSII的软件算法就完全失去了优势。应该利用这类CPU的特有指令，优化任务调度算法，使RTOS的实时性达到最佳。对于这类处理器，仅移植μC/OSII软件算法是很不够的，应该利用相关硬件算法指令。