Nucleus PLUS任务调度

RTOS Nucleus 任务调度 嵌入式

目录(?)[-]

1. 概述
2. 一任务调度算法
3. 二Nucleus PLUS任务管理
   1. 1主要任务控制结构
   2. 2任务优先级管理
      1. 1 TCD_Priority_Groups
      2. 2 TCD_Sub_Priority_Groups
      3. 3 TCD_Lowest_Set_Bit
      4. 4 任务创建和优先级管理的基本过程

概述

Nucleus Plus内核(Kernel)的主要目的是管理实时任务的竞争运行(共享CPU)，为应用提供各种便利，快速响应外部事件。Nucleus Plus的系统结构如图1所示，可以看出线程控制是整个内核的核心，通过邮箱、队列、管道来实现任务之间的通信，通过信号量、事件组和信号实现任务间的同步。

线程控制部件用来管理实时任务和高级中断服务的执行，它是Nucleus 嵌入式实时操作系统最核心的部分。为了控制执行过程，任务通常被分配一个优先级。任务优先级的范围从0到255，优先级0的优先权最高。除非抢占标示位被置为无效，否则低优先级的任务将被高优先级就绪的任务抢占。为保证对外部事件的实时性响应，Nucleus设计了高级中断服务HISR，它的优先级范围从0到2，其中优先级0的级别最高。

任务调度线程就负责抢占式实时任务和HISR的调度管理。每个用户应用由多个任务组成，一个任务就是具有特定目的的半独立程序片段，任务处于五种状态之一--运行、就绪、挂起、终止、完成，如表1所示。任务具有不同的优先级，高优先级任务能够抢占低优先级任务，同优先级任务按照进入”就绪状态“的顺序调度，优先级从0-255递减。

表1 Nucleus任务的五种状态

	状态意义
运行Executing	任务当前正在被CPU执行。
就绪Ready	任务就绪，但是另一个任务当前正在运行。
挂起Suspended	任务因为服务等待需求而体眠。当需求满足时，任务变为就绪状态。默认情况下，新创建的任务都处于
终止Terminated	任务被终止。当任务处于这种状态时，它将不再执行直到它被复位。
完成Finished	任务完成了．从入口函数中退出。任务处于这种状态时，它将不再执行直到受到复位。

（一）任务调度算法

Nucleus调度程序用来决定是否要进行任务切换，如果需要切换的话，切换到哪个进程等。Nucleus实时操作系统的任务调度算法非常简单，它包括时间片轮转算法和轮询算法。

时间片轮转算法是将相同优先级的任务都分配相同的时间片，当时间片用完后再转到下一个任务，轮流执行直到这个优先级的所有任务全部执行完毕，然后再转到下一个优先级。轮询算法是在本优先级内的所有任务按照就绪时间的先后 顺序执行，当这个优先级的全部任务都执行完毕后，再执行下一个优先级的任务。

再者，Nucleus实时操作系统具有可抢占性，进程调度的依据就是按照优先级从高到低顺序进行调度。当低优先级任务在运行时，高优先级任务就绪准备执行时则会抢占执行，迫使低优先级任务挂起。

Nucleus的调度时机包括：

(1)进程状态转换的时刻，即进程终止、进程睡眠；

(2)可运行队列中新增加一个进程时；

(3)当前进程的时间片用完；

(4)进程从系统调用返回到用户态；

(5)内核处理完中断后，进程返回到用户态。

（二）Nucleus PLUS任务管理

1，主要任务控制结构

Nucleus PLUS每一个任务都有一个控制结构体称为线程控制块Thread Control Block(TCB)，任务支持动态的创建和删除，TC通过一个双向链表TCD_Created_Tasks_List管理所有的任务，全局变量TCD_Total_Tasks表示已创建的总任务数。

TCD_Priority_List是一个大小为256的TCB指针数组TC_TCB (*TCD_Priority_List)[256]（数组大小与Nucleus PLUS优先级数相同），数组元素按任务优先级索引。数组中的每个元素都是某个优先级就绪任务链表的头。若某元素为空则表明那个优先级没有就绪任务。 对于每个优先级的就绪任务列表，TCB是以双向列表的形式存储。即Nucleus PLUS维护一个指针数组来调度不同优先级的任务链表。

图2 TCD_Priority_List

2，任务优先级管理

Nucleus在进行任务切换时需要计算最高优先级，为了快速的计算就绪任务中最高的优先级，Nucleus PLUS引入了一种优先级分组+查找表机制。

2.1 TCD_Priority_Groups

任务的优先级从0到255，0的优先级别最高，255的优先级别最低。256个优先级分成32组，每组对应8个级别。例如第0组对应优先级0～7、第1组对应 8～15、...。用32位整型变量TCD_Priority_Groups的每一位标示优先级组是否有任务进入就绪状态，某位为1表示改组至少有一个任务就绪。

图3 TCD_Priority_Groups

2.2 TCD_Sub_Priority_Groups[]

子优先级数组TCD_Sub_Priority_Groups[32]标示一个组内具体的8个优先级，数组元素为8位整型，每一位对应组内一个优先级。如TCD_Sub_Priority_Groups[0]表示第0组（优先级0-7）任务的就绪状态，第0位为1表明优先级0的任务就绪、第7位为1表明优先级7的任务就绪。

图4 TCD_Sub_Priority_Groups

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1. 若任务的优先级为Tc_priority，     
2. 该任务的子优先级掩码为：tc_sub_priority=1<<(tc_priority&7)。     
3. 该任务的优先级组掩码为：tc_priority_group=1<<((tc_priority)>>3)。  

2.3 TCD_Lowest_Set_Bit[]

TCD_Lowest_Set_Bit[]是一个查找表（元素预先已计算出），该表是8位整型数据的序号和数据8个位中第一个为1的位的位置（从高往底数）的，例如TCD_Lowest_Set_Bit[n]=value,n指8位整型数的值（就是序号），value指的是8个位中第一个为1的位置（从低往高数）。如Unsigned Char 7的二进制是0000 0111，第一个为1的位位0，value=0，TCD_Lowest_Set_Bit[7] = 0。

如此便可以求得表TCD_Lowest_Set_Bit[256]。举例，8位整型数中位0为1的数据包括1、3、5、7、9、11、13、15，...,253,255，所以有：

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1. TCD_Lowest_Set_Bit[1]= 0,     
2. TCD_Lowest_Set_Bit[3]= 0,     
3. TCD_Lowest_Set_Bit[5]= 0,     
4. TCD_Lowest_Set_Bit[7]= 0,     
5. ...,     
6. TCD_Lowest_Set_Bit[253]= 0,     
7. TCD_Lowest_Set_Bit[255]= 0。    

 

2.4 任务创建和优先级管理的基本过程

任务优先级管理全局变量

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1. UNSIGNED        TCD_Priority_Groups;     
2. DATA_ELEMENT    TCD_Sub_Priority_Groups[TC_MAX_GROUPS];     
3. UNSIGNED_CHAR  TCD_Lowest_Set_Bit[256] = {0,     
4.  0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0,     
5.  1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1,     
6.  0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0,     
7.  2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2,     
8.  0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0,     
9.  1, 0, 7, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1,     
10.  0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0,     
11.  4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 6, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3,     
12.  0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 5, 0,     
13.  1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 4, 0, 1, 0, 2, 0, 1, 0, 3, 0, 1,     
14.  0, 2, 0, 1, 0};     
15. INT             TCD_Highest_Priority;//就绪状态任务的最高优先级    

i.创建一个task时(tcc.c)--TCC_Create_Task funtion

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1. extern UNSIGNED         TCD_Priority_Groups;     
2. extern DATA_ELEMENT     TCD_Sub_Priority_Groups[TC_MAX_GROUPS];     
3. extern UNSIGNED_CHAR    TCD_Lowest_Set_Bit[];     
4. extern INT              TCD_Highest_Priority;        
5. task -> tc_priority = priority;     
6. task -> tc_priority_head = &(TCD_Priority_List[priority]);     
7. task -> tc_sub_priority = (DATA_ELEMENT) (1 << (priority & 7));//组内子优先级计算，0-7     
8. priority =  priority >> 3;//优先级组计算，有32个组     
9. task -> tc_priority_group = ((UNSIGNED) 1) << priority;//优先级组响应组标示位置1     
10. task -> tc_sub_priority_ptr = &(TCD_Sub_Priority_Groups[priority]);//指向子优先级起始    

ii. 恢复运行一个task时(tcc.c)--TCC_Resume_Task fuction

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1. TCD_Priority_Groups = TCD_Priority_Groups | (task -> tc_priority_group);  
2. //组号保存到全局变量        
3. *(task -> tc_sub_priority_ptr) = (*(task -> tc_sub_priority_ptr)) | task -> tc_sub_priority;  
4. //组内值保存到全局变量     

iii.获取当前最高优先级(tcc.c）

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1. if (TCD_Priority_Groups & TC_HIGHEST_MASK)     
2.       index =  0;     
3. else if (TCD_Priority_Groups & TC_NEXT_HIGHEST_MASK)     
4.   index =  8;     
5. else if (TCD_Priority_Groups & TC_NEXT_LOWEST_MASK)     
6.   index =  16;     
7. else    
8.   index =  24;     
9.   index =  index + TCD_Lowest_Set_Bit[(INT)((TCD_Priority_Groups >> index) & TC_HIGHEST_MASK)];//获取组号中1的最低排位，取值范围0~31     
10.   temp =  TCD_Sub_Priority_Groups[index];//与priority_group对应，有32个Sub_Priority_Groups，通过index查找到相应的Sub_Priority_Groups     
11.   TCD_Highest_Priority = (index << 3) + TCD_Lowest_Set_Bit[temp];//获取到实际的最高优先级    

获取到实际的最高优先级后，将最高优先级的任务挂入Tcd_priority_list[]、完成调度后，该任务位会被清空，接着再次循环获取下一个任务优先级。