什么是ucosii任务的调度原理和实现

使用过ucosii的朋友应该都会知道，单片机+嵌入式实时操作系统能够做到尽可能最大化的利用cpu资源，通过加入实时操作系统能够做出更加强大的产品和应用。

不知道使用过ucosii的朋友有没有去了解过它进行任务调度的原理和实现方式呢？

我个人结合ucosii的源码和自己的理解，分享一些有关ucosii的任务管理和调度的实现。

1、ucos-ii 任务创建与任务调度

1.1、任务的创建

当你调用 OSTaskCreate( ) 进行任务的创建的时候，会初始化任务的堆栈、保存cpu的寄存器、创建任务的控制块（OS_TCB）等的操作；

if (OSTCBPrioTbl[prio] == (OS_TCB *)0) { /* Make sure task doesn't already exist at this priority  */        OSTCBPrioTbl[prio] = OS_TCB_RESERVED;/* Reserve the priority to prevent others from doing ...  */                                             /* ... the same thing until task is created.              */        OS_EXIT_CRITICAL();        psp = OSTaskStkInit(task, p_arg, ptos, 0u);             /* Initialize the task's stack         */        err = OS_TCBInit(prio, psp, (OS_STK *)0, 0u, 0u, (void *)0, 0u);        if (err == OS_ERR_NONE) {            if (OSRunning == OS_TRUE) {      /* Find highest priority task if multitasking has started */                OS_Sched();            }        } else {            OS_ENTER_CRITICAL();            OSTCBPrioTbl[prio] = (OS_TCB *)0;/* Make this priority available to others                 */            OS_EXIT_CRITICAL();        }        return (err);    }

** 注意：ucosii不支持两个及以上相同的任务优先级的任务，ucosiii支持时间片轮转。**

ucosii 的任务控制块是任务中很重要，它记录了任务的信息，包括优先级、延时时间、状态等信息。控制块定义如下：

typedef structos_tcb {    OS_STK          *OSTCBStkPtr;           /* Pointer to current top of stack                         */
#if OS_TASK_CREATE_EXT_EN > 0u    void            *OSTCBExtPtr;           /* Pointer to user definable data for TCB extension        */    OS_STK          *OSTCBStkBottom;        /* Pointer to bottom of stack                              */    INT32U           OSTCBStkSize;          /* Size of task stack (in number of stack elements)        */    INT16U           OSTCBOpt;              /* Task options as passed by OSTaskCreateExt()             */    INT16U           OSTCBId;               /* Task ID (0..65535)                                      */#endif
    struct os_tcb   *OSTCBNext;             /* Pointer to next     TCB in the TCB list                 */    struct os_tcb   *OSTCBPrev;             /* Pointer to previous TCB in the TCB list                 */
#if (OS_EVENT_EN)    OS_EVENT        *OSTCBEventPtr;         /* Pointer to          event control block                 */#endif
#if (OS_EVENT_EN) && (OS_EVENT_MULTI_EN > 0u)    OS_EVENT       **OSTCBEventMultiPtr;    /* Pointer to multiple event control blocks                */#endif
#if ((OS_Q_EN > 0u) && (OS_MAX_QS > 0u)) || (OS_MBOX_EN > 0u)    void            *OSTCBMsg;              /* Message received from OSMboxPost() or OSQPost()         */#endif
#if (OS_FLAG_EN > 0u) && (OS_MAX_FLAGS > 0u)#if OS_TASK_DEL_EN > 0u    OS_FLAG_NODE    *OSTCBFlagNode;         /* Pointer to event flag node                              */#endif    OS_FLAGS         OSTCBFlagsRdy;         /* Event flags that made task ready to run                 */#endif
    INT32U           OSTCBDly;              /* Nbr ticks to delay task or, timeout waiting for event   */    INT8U            OSTCBStat;             /* Task      status                                        */    INT8U            OSTCBStatPend;         /* Task PEND status                                        */    INT8U            OSTCBPrio;             /* Task priority (0 == highest)                            */
    INT8U            OSTCBX;                /* Bit position in group  corresponding to task priority   */    INT8U            OSTCBY;                /* Index into ready table corresponding to task priority   */    OS_PRIO          OSTCBBitX;             /* Bit mask to access bit position in ready table          */    OS_PRIO          OSTCBBitY;             /* Bit mask to access bit position in ready group          */
#if OS_TASK_DEL_EN > 0u    INT8U            OSTCBDelReq;           /* Indicates whether a task needs to delete itself         */#endif
#if OS_TASK_PROFILE_EN > 0u    INT32U           OSTCBCtxSwCtr;         /* Number of time the task was switched in                 */    INT32U           OSTCBCyclesTot;        /* Total number of clock cycles the task has been running  */    INT32U           OSTCBCyclesStart;      /* Snapshot of cycle counter at start of task resumption   */    OS_STK          *OSTCBStkBase;          /* Pointer to the beginning of the task stack              */    INT32U           OSTCBStkUsed;          /* Number of bytes used from the stack                     */#endif
#if OS_TASK_NAME_EN > 0u    INT8U           *OSTCBTaskName;#endif
#if OS_TASK_REG_TBL_SIZE > 0u    INT32U           OSTCBRegTbl[OS_TASK_REG_TBL_SIZE];#endif} OS_TCB;

2、任务调度实现

2.1、将任务优先级进行分组

因为ucosii最大优先级数量为64个，所以可以分成8组，每组8个优先级。

当一个任务被创建成功之后，它的组号由优先级的高三位决定(bit5 bit4 bit3)，它在组内的编号由优先级的低三位决定(bit2 bit1 bit0)，如下：

#if OS_LOWEST_PRIO <= 63u                                         /* Pre-compute X, Y                  */        ptcb->OSTCBY             = (INT8U)(prio >> 3u);    // 组        ptcb->OSTCBX             = (INT8U)(prio & 0x07u);  // 组内编号#else

2.2、任务就绪表

ucosii对任务优先级的调度管理是通过查询任务就绪表进行的。任务就绪表里面保存着当前所有任务的就绪状态，如下：

OSRdyTbl[8]
说明：1）它是uint8的数据类型。它的长度是8，每一个元素代表一个组，比如 OSRdyTbl[0]代表第0组， OSRdyTbl[1]代表第1组，OSRdyTbl[2]代表第2组……以此类推。
2）每一个元素中的每一个位（bit）代表组内的任务的就绪状态（1为就绪，0为未就绪）。

说明：

1）当优先级为12 的任务就绪时，那么对应的OSRdyTbl[1]的第4位bit，绝对等于1；
当整个系统中，当只有优先级为12的任务就绪，其他所有任务都没有就绪时，那么OSRdyTbl[1] 绝对等于0x10。


2）当优先级为0和1的任务就绪时，那么对应的OSRdyTbl[0]的第0位bit以及第1位bit，都绝对等于1；
当整个系统中，当只有优先级为0和1的任务就绪，其他所有任务都没有就绪时，那么OSRdyTbl[0] 绝对等于0x03。

2.3、任务释放CPU使用权

当任务中调用 OSTimeDly( ) 时，会让任务进入休眠的状态，交出CPU的执行权给到其他就绪任务去执行，这个过程就发生了任务的切换。

简单而言就是会把任务就绪表 OSRdyTbl 中对应的任务优先级在组内的编号状态改变，从而使任务自身进入休眠状态。代码如下：

if (ticks > 0u) {                            /* 0 means no delay!                                  */        OS_ENTER_CRITICAL();        y            =  OSTCBCur->OSTCBY;        /* Delay current task                                 */        OSRdyTbl[y] &= (OS_PRIO)~OSTCBCur->OSTCBBitX;        if (OSRdyTbl[y] == 0u) {            OSRdyGrp &= (OS_PRIO)~OSTCBCur->OSTCBBitY;        }        OSTCBCur->OSTCBDly = ticks;              /* Load ticks in TCB                                  */        OS_EXIT_CRITICAL();        OS_Sched();                              /* Find next task to run!                             */    }

在上面的代码中发现了一个东西：OSRdyGrp。这个有什么用呢？

OSRdyGrp：管理任务就绪组的

OSRdyGrp是INT8U类型的，它每一个bit代表一个组，只要这个组内有任何一个任务就绪了，那对应的这个bit就会被设置为1，表示这个组内目前有就绪的任务。否者对应的位为0。

举个例子，如下：

1）系统中只有任务0就绪了，那么OSRdyGrp 便等于 0x01（二进制00000001）。2）系统中有任务0和任务63都就绪了，那么OSRdyGrp 便等于 0x81(二进制10000001)。

2.4、任务实现调度切换操作

发生一次任务调度是通过 OS_Sched() 进行的。源码如下：

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             */                OS_TASK_SW();                          /* Perform a context switch                     */            }        }    }    OS_EXIT_CRITICAL();}

这里的过程如下：

（1）先通过 OS_SchedNew() 找到当前处于就绪状态的最高优先级的任务，如下：

y             = OSUnMapTbl[OSRdyGrp];OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 3u) + OSUnMapTbl[OSRdyTbl[y]]);

（2）然后通过 OS_TASK_SW() 进行任务切换，它的过程如下：

1）OS_TASK_SW 只是一个宏，它实际替换的是 OSCtxSw()#define  OS_TASK_SW()         OSCtxSw()
2）OSCtxSw()是由汇编实现的OSCtxSw    PUSH    {R4, R5}        LDR     R4, =NVIC_INT_CTRL    ;触发PendSV异常 (causes context switch)        LDR     R5, =NVIC_PENDSVSET        STR     R5, [R4]    POP     {R4, R5}        BX      LR

就这样，上下文就完成了一次切换。