ucos-ii嵌入式操作系统任务调度(一)----任务调度的过程及实现原理
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一 概念
在单片机裸机程序中，我们以函数为最小单位来划分代码功能的，所有函数之间都存在一个先后调用的关系(不是你调用我，就是我调用你，或者你我都被他调用)；但是在嵌入式操作系统中，我们可以以任务为最小单位来看待一个程序代码(当然函数仍然是每个任务的最小单位)，各个任务之间没有调用关系，它们可以说是各自为营。
可以把嵌入式系统程序看成各个单片机裸机程序的集合，跑操作系统的本质原因就是因为系统程序需要实现的功能很多，我们需要合理划分每个功能，保证相互之间没有关系，从而有一个框架清晰，逻辑清晰，后期维护和查找问题更便捷的系统。
那么操作系统是如何合理调度各个任务，保证每个任务都能合理正确的运行呢？这是所有操作系统最为重要的一个目的，现代操作系统绝大部分都是多任务系统，我们先看一看ucos-ii是如何实现的。
二 ucos-ii调度策略
何为任务调度？就是终止当前正在执行的任务，转而去执行别的任务过程。
在探讨任务调度策略时，我们先假设读者对ucos-ii中任务的基本概念有了一定理解，这里也不在做介绍。任务有一个基本特性，任务优先级(存储在任务控制块结构体中，在初始化创建任务的时候会被赋值)是任务调度的重要参考，在ucos中，优先级值越低，优先级越高，越优先被系统调度。
触发任务调度的基本方式有两种，一种是任务级调度，另外一种是中断级调度。
1. 任务级调度
所谓任务级调度，就是任务本身主动或被动触发了任务调度，比如说等待信号量过程中，当前信号量还没有产生，cpu不可能一直在这里死等(当然特殊情况，也会设计成在这里死等，比如像linux中的自旋锁机制)，这样会造成别的任务不能得到快速响应，还怎么能称作实时操作系统呢？
任务调度的步骤，总结来说，可以分为两步，第一步是找到当前优先级最高的并且处于就绪状态的任务；第二步就是任务切换，从当前任务切换到优先级较高的任务去。通过调用API函数OS_Sched来实现，代码如下：
void OS_Sched (void)
{
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3u /* Allocate storage for CPU status register */
OS_CPU_SR cpu_sr = 0u;
#endif
OS_ENTER_CRITICAL();
if (OSIntNesting == 0u) { /* Schedule only if all ISRs done and ... */
if (OSLockNesting == 0u) { /* ... scheduler is not locked */
OS_SchedNew();
OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];
if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { /* No Ctx Sw if current task is highest rdy */
#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0u
OSTCBHighRdy->OSTCBCtxSwCtr++; /* Inc. # of context switches to this task */
#endif
OSCtxSwCtr++; /* Increment context switch counter */
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0u
#if defined(OS_TLS_TBL_SIZE) && (OS_TLS_TBL_SIZE > 0u)
OS_TLS_TaskSw();
#endif
#endif
OS_TASK_SW(); /* Perform a context switch */
}
}
}
OS_EXIT_CRITICAL();
}
我们根据宏开关的定义，去掉未使能的代码，简写OS_Sched如下：
void OS_Sched (void)
{
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3u /* Allocate storage for CPU status register */
OS_CPU_SR cpu_sr = 0u;
#endif
OS_ENTER_CRITICAL();
if (OSIntNesting == 0u) { /* Schedule only if all ISRs done and ... */
if (OSLockNesting == 0u) { /* ... scheduler is not locked */
OS_SchedNew();
OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];
if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { /* No Ctx Sw if current task is highest rdy */
OSCtxSwCtr++; /* Increment context switch counter */
OS_TASK_SW(); /* Perform a context switch */
}
}
}
OS_EXIT_CRITICAL();
}
- 查找优先级较高的任务
我们先关注上面代码片段中第10行位置的OS_SchedNew，此函数实现查找优先级较高任务的目的，其代码如下：
static void OS_SchedNew (void)
{
#if OS_LOWEST_PRIO <= 63u /* See if we support up to 64 tasks */
INT8U y;
y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 3u) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);
#else /* We support up to 256 tasks */
INT8U y;
OS_PRIO *ptbl;
if ((OSRdyGrp & 0xFFu) != 0u) {
y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp & 0xFFu];
} else {
y = OSUnMapTbl[(OS_PRIO)(OSRdyGrp >> 8u) & 0xFFu] + 8u;
}
ptbl = &OSRdyTbl[y];
if ((*ptbl & 0xFFu) != 0u) {
OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 4u) + OSUnMapTbl[(*ptbl & 0xFFu)]);
} else {
OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 4u) + OSUnMapTbl[(OS_PRIO)(*ptbl >> 8u) & 0xFFu] + 8u);
}
#endif
}
同样，根据宏开关，简写OS_SchedNew如下：
static void OS_SchedNew (void)
{
INT8U y;
y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 3u) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);
}
我们发现这里只有2句赋值语句，OSPrioHighRdy是ucos-ii中用来标记当前系统任务中优先级最高的任务的全局变量，那么ucos是如何找到优先级最高的任务的呢？我们重点关注一下全局数组OSUnMapTbl，定义如下：
INT8U const OSUnMapTbl[256] = {
0u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x00 to 0x0F */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x10 to 0x1F */
5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x20 to 0x2F */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x30 to 0x3F */
6u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x40 to 0x4F */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x50 to 0x5F */
5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x60 to 0x6F */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x70 to 0x7F */
7u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x80 to 0x8F */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x90 to 0x9F */
5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xA0 to 0xAF */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xB0 to 0xBF */
6u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xC0 to 0xCF */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xD0 to 0xDF */
5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xE0 to 0xEF */
4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u /* 0xF0 to 0xFF */
};
初看这个定义，绝大部分读者可能跟我一样，晕头转向，云里雾里，什么鬼（WTF！！）？而且我可能比各位读者还要更笨一些，我可是前前后后死磕了好几遍，才看懂这边的定义，看这个数组之前，我们先来看一下ucos是如何标记任务优先级的。
ucos中，将任务用数组OsRdyTbl[8],人为划分成了8组,OsRdyTbl[0]代表任务组0，OsRdyTbl[1]代表任务组1…OsRdyTbl[7]代表任务组7；每个数组中的每一位代表一个优先级任务，比方说对于OsRdyTbl[0]的第0位代表任务优先级为0的任务，OsRdyTbl[0]的第1位代表任务优先级为1的任务，以此类推；OsRdyTbl[1]的第0位代表任务优先级为8的任务(18+0)，OsRdyTbl[1]的第1位代表任务优先级为9的任务(18+1)…OsRdyTbl[7]的第0位代表任务优先级为56的任务(78+0)，OsRdyTbl[7]的第1位代表任务优先级为57的任务(78+1);同时ucos用OSRdyGrp表示哪一组优先级，OSRdyGrp的第0位表示第0组优先级状态(如果该位为1，表示第0组有存在任务就绪)…第7位表示第7组优先级状态。
因此我们只要知道OSRdyGrp的值，以及OsRdyTbl[]数组的值，就可以知道当前任务就绪的状态了，比方说，如果由我来设置最初版本的ucos系统(当然现在知道这样设计是存在问题的，虽然从逻辑上来看，也能实现功能，但是从实时性上来看，是不合理的)
u8 grp, tbl;
/* 先找出属于哪一组 */
for (i = 0; i < 8; i++)
{
temp = OSRdyGrp >> i;
if (temp & 0x1)
break;
}
if (OSRdyGrp) /* 这个判断条件可以不加上，因为系统中必定会存在一个空闲任务 */
grp = i;
/*再找出当前那一组上哪一个优先级
*因为OsRdyTbl[0]的优先级最高，其次是OsRdyTbl[1]，最后是OsRdyTbl[7]
*所以我们采用从0开始索引查找
*/
for (j = 0; j < 8; j++)
{
for (i = 0; i < 8; i++)
{
temp = OsRdyTbl[j] >> i;
if (temp & 0x1)
goto find_out;
}
}
find_out:
tbl = i;
OSPrioHighRdy = grp << 3 + tbl;
根据我们自己所实现的查找最高优先级的代码，反过来理解ucos-ii系统中的巧妙实现方法，它是如何通过一个数组，经过查表就能找到最高优先级的呢？
我们知道OSRdyGrp代表了哪一组任务优先级，第0位代表的任务组肯定是最高优先级的，因此我们先判断OSRdyGrp最低位出现为1的那一组，那么这一组中对应的任务肯定是优先级最高的；同理，OsRdyTbl[]数组中的每一位也代表一个任务优先级，最低位出现为1的肯定是优先级最高的(为什么是这样的，因为ucos系统OSRdyGrp和OsRdyTbl[]就是这样来定义的)，找到最开始出现为1的，就可以根据公式:
OSRdyGrp最低位出现为1的位数 << 3 + OsRdyTbl[OSRdyGrp最低位出现为1的位数]最低位出现为1的位数
这里两个最低位出现为1的位数不是很好理解，请读者仔细分析这段话。
因此，ucos定义的数组就是表示最低位出现为1的数，比如说
优先级的值 二进制 低位最开始出现1的位数
0 0000 0000 ----> 0
1 0000 0001 ----> 1
2 0000 0010 ----> 2
3 0000 0011 ----> 1
4 0000 0100 ----> 2
5 0000 0101 ----> 1
......
128 1000 0000 ----> 7
......
255 1111 1111 ----> 0
讲到这里，各位读者应该明白了查找较高优先级任务的原理
2. 任务切换
在找到较高任务的优先级时，就需要实现任务的切换了，上面的过程中，我们只是找到了当前处于就绪状态的最高优先级任务的优先级值，如何实现任务切换呢，请看代码(仍然是OS_Sched函数中的部分片段，说明的是:在不同版本的ucos-ii上，代码的细节会有所差别，不过原理目的都是一样的)
if (OSLockNesting == 0u) { /* ... scheduler is not locked */
OS_SchedNew();
OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];
if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { /* No Ctx Sw if current task is highest rdy */
#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0u
OSTCBHighRdy->OSTCBCtxSwCtr++; /* Inc. # of context switches to this task */
#endif
OSCtxSwCtr++; /* Increment context switch counter */
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0u
#if defined(OS_TLS_TBL_SIZE) && (OS_TLS_TBL_SIZE > 0u)
OS_TLS_TaskSw();
#endif
#endif
OS_TASK_SW(); /* Perform a context switch */
}
}
我们一句一句分析：
A. 找到当前优先级对应的任务控制块，根据优先级的值，索引数组
OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy]
B. 判断最高优先级是否为当前任务，如果就是当前任务的话，不需要切换；否则需要切换；
C. 如果要切换，记录当前任务被切换的次数，以及任务总共被切换的次数
OSTCBHighRdy->OSTCBCtxSwCtr++;
OSCtxSwCtr++;
D. 实现任务切换，调用宏OS_TASK_SW()实现，实际上是调用的汇编函数OSCtxSw，有关这个汇编函数的实现方式，我们在另外的一篇文章中会重点分析，这里我们只需要知道调用这个函数后就会实现任务切换即可
OS_TASK_SW()
2. 中断级调度
中断级调度，是调用C函数OSIntExit实现的，如下：
void OSIntExit (void)
{
#if OS_CRITICAL_METHOD == 3u /* Allocate storage for CPU status register */
OS_CPU_SR cpu_sr = 0u;
#endif
if (OSRunning == OS_TRUE) {
OS_ENTER_CRITICAL();
if (OSIntNesting > 0u) { /* Prevent OSIntNesting from wrapping */
OSIntNesting--;
}
if (OSIntNesting == 0u) { /* Reschedule only if all ISRs complete ... */
if (OSLockNesting == 0u) { /* ... and not locked. */
OS_SchedNew();
OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];
if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { /* No Ctx Sw if current task is highest rdy */
#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0u
OSTCBHighRdy->OSTCBCtxSwCtr++; /* Inc. # of context switches to this task */
#endif
OSCtxSwCtr++; /* Keep track of the number of ctx switches */
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0u
#if defined(OS_TLS_TBL_SIZE) && (OS_TLS_TBL_SIZE > 0u)
OS_TLS_TaskSw();
#endif
#endif
OSIntCtxSw(); /* Perform interrupt level ctx switch */
}
}
}
OS_EXIT_CRITICAL();
}
}
根据宏开关，简写如下：
void OSIntExit (void)
{
OS_CPU_SR cpu_sr = 0u;
if (OSRunning == OS_TRUE) {
OS_ENTER_CRITICAL();
if (OSIntNesting > 0u) { /* Prevent OSIntNesting from wrapping */
OSIntNesting--;
}
if (OSIntNesting == 0u) { /* Reschedule only if all ISRs complete ... */
if (OSLockNesting == 0u) { /* ... and not locked. */
OS_SchedNew();
OSTCBHighRdy = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy];
if (OSPrioHighRdy != OSPrioCur) { /* No Ctx Sw if current task is highest rdy */
OSCtxSwCtr++; /* Keep track of the number of ctx switches */
OSIntCtxSw(); /* Perform interrupt level ctx switch */
}
}
}
OS_EXIT_CRITICAL();
}
}
我们发现，这个函数的实现基本上和OS_Sched的函数实现类似，也是先找到当前优先级最高的任务，然后启动任务切换。唯一不同的就是，调用了不同的函数实现了任务切换，这里就是调用了汇编函数OSIntCtxSw()来实现的，函数如下：
OSIntCtxSw
LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
STR R1, [R0]
BX LR
我们发现，这个函数也是使能了一次PendSV异常，跟汇编函数OSCtxSw的实现一样，都是软件触发了一次了PendSV异常，在PendSV异常处理函数中，实现上下文的切换，参照文章《ucos-ii嵌入式操作系统任务调度(二)----任务切换瞬间cpu做了什么》