原创 ucos-ii核心算法分析

ucos-ii核心算法分析

μC/OS-Ⅱ是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展 性强等特点，最小内核可编译至2KB。μC/OS-Ⅱ为何如此高效呢？我们从它的核心算法——任务调度算法开始分析。

2.1任务调度算法分析
        操作系统的实时性主要体现在：当优先级高的任务要求工作时，操作系统要以尽快的时间将此任务调度到CPU执行。这里所花费的时间主要包括两部分：查找最高优先级任务和任务上下文切换。其中，任务上下文切换时间是和处理器相关的，操作系统无法控制。我们主要分析uC/OS-ii如何查找最高优先级任务的。
        因为任务较少，uC/OS-II采用单一优先级，这为算法的实现提供了很大的方便。在uC/OS-II中，优先级可以作为任务的标识（当然要在任务存在的情况下，是通过一个指针数组实现的）来用。
        调度算法主要基于分级查询。考虑到任务数目<64，可以用6bit来表示，分为高3位和低三位。uC/OS-II将优先级进行分组，按高三位进行分组，可得8个（最多）优先级数组（000-111）；每个优先级的在数组中的位置由其低三位表示。在源码中，高三位用带Y后缀的变量表示，而低三位用带X后缀的变量表示。这样建立了1个变量OSRdyGrp（INT8U，8bit，每个bit代表一组）和1个数组OSRdyTbl[8]（INT8U，每 组8bit，每个bit代表一个优先级）。这样形成了的二级查询，先选组，再选组内偏移。
        其中，OSRdyGrp每一bit置1，表示该组有任务就绪。（第0～7组）。其示意图见下图：

我们举一个例子，看一下如果优先级为22的任务就绪，我们如何对优先级数组进行操作。用二进制表示为0b00010110，其高3位为010，为2，则将第2组，也就是OSRdyGrp的第2位置1。其低3位为110，为6，则将其OSRdyTbl[2]的第6位置1。编程实现时，可以通过对1进行移位， 再进行 或 操作来实现。但考虑到移位时间不确定（要进行统一化），uC/OS-II选择建立了一个表OSMapTbl[8]，如下。 <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

表 T3.1 OSMapTbl[]的值

Index        Bit Mask (Binary)

0                 00000001

1                 00000010

2                 00000100

3                 00001000

4                 00010000

5                 00100000

6                 01000000

7                 10000000

这样，当一个任务就绪时，我们这样处理。其中Prio是任务的优先级。
程序清单L3.5 使任务进入就绪态
OSRdyGrp            |= OSMapTbl[prio >> 3];
OSRdyTbl[prio >> 3] |= OSMapTbl[prio & 0x07];

而当任务被挂起或删除时，我们这样处理：
程序清单L3.6 从就绪表中删除一个任务
if ((OSRdyTbl[prio >> 3] &= ~OSMapTbl[prio & 0x07]) == 0)
    OSRdyGrp &= ~OSMapTbl[prio >> 3];

表建立了，如何查询最高优先级呢？这是很关键的。因为优先级的值越小，优先级越高，我们只需从OSRdyGrp中找到最低位置1的的那一组，再从该组中，查找最低位置1的位置，组合一下，就得到了最高的优先级。
同样，这可以通过一个while循环进行判断，但是，时间也是不确定的（要进行统一化）。所以，uC/OS-II又建立了一张表OSUnMapTbl，这张表有点大，其下标值范围为0x00-0xff，值域为0-7。
这样，其查询流程为：
程序清单L3.7 找出进入就绪态的优先级最高的任务
y    = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];
x    = OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]];
prio = (y << 3) + x;

2.2事件处理算法分析
在uC/OS-II中，事件可以是信号量、邮箱或者消息队列等，并用统一的结构体OS_EVENT表示。
我们先看一下OS_EVENT的组成：

typedef struct {
        INT8U           OSEventType;                
        INT8U           OSEventGrp;                    
        INT16U         OSEventCnt;                    
        void              *OSEventPtr;                  
        INT8U           OSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];
} OS_EVENT;

        注意其中两个变量：OSEventGrp和OSEventTbl[]，是不是觉得有点象OSRdyGrp和OSRdyTbl[]。那它们的处理算法是不是 也一样呢？你猜对了，这里关于事件的各种操作（如pend、post、timeout、wait等）的算法和任务调度算法如出一辙。当然也用到了OSUnMapTb[]和OSMapTbl[]。只是任务就绪时（等待CPU时）插入就绪表，而当任务需要等待事件时要插入EVENT等待列表，反之亦同。

2.3 小结
        这两个算法（1种算法）是os_core.c中最主要的算法。此算法执行时间恒定，不随任务数目的多少变化（但不能超过64个任务），保证了其实时性。这里，顺便对uC/OS-ii的设计哲学进行臆测：那就是“以空间换时间”，也就是表格table (array)。这可以从uC/OS-II中存在众多的全局变量，如OSEventTabl[]，OSRdyTbl[]，OSTCBTbl[]（这样避免了动态初始化）看出，也可以从上面介绍的任务调度算法中看出（核心数据结构为数组，并建立了两张表OSUnMapTbl和OSMapTbl）。