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参考内容：《[野火]uCOS-III内核实现与应用开发实战指南——基于STM32》第 14 章。 目录0 时间片轮转调度的意义1 修改任务控制块 TCB（os.h）2 时间片轮转调度函数 OS_SchedRoundRobin()（os_core.c）3 修改相关代码3.1 SysTick 中断发起后调用 OSTimeTick()（os_time.c）3.2 任务创建函数 OSTaskCreate()（os_task.c）3.3 空闲任务初始化函数 OS_IdleTaskInit()（os_core.c）4 时间片轮调度的应用4.1 主函数 main()（app.c）4.2 运行过程4.2.1 在主函数中4.2.2 在 Task1 中4.2.3 在 Task2 中4.2.4 在 Task2 中 SysTick 发起中断4.2.5 在 Task3 中4.2.6 在 Task3 中 SysTick 发起中断4.2.7 又在 Task1 中4.3 实验现象 0 时间片轮转调度的意义我们现在实现的 uCOS 内核，包含了就绪列表和时基列表。就绪列表的插入规则与优先级有关，而时基列表的插入规则与时基计数器和延时时间有关。上一篇文章中，已经实现了时基列表的任务调度。但是我们写的内核还有一些缺陷，当不进行任务调度时（注意：任务调度的实质是切换到高优先级的任务去执行），系统只能执行就绪列表下的双向链表头指针对应的任务，那么相同优先级的其他任务就执行不到了。因此，我们希望相同优先级的多个任务都可以执行到，其中一个办法就是每隔一段时间就切换到相同优先级上的任务，这样这些任务都有机会被运行到。 时间片轮转调度用于解决相同优先级下多个任务的运行问题。现在假设 A 优先级下有任务 1、任务 2、任务 3，B 优先级有任务 4 且被阻塞 6 个时间片的长度，所以现在要运行 A 优先级下的任务。 如果不实现时间片轮转，那么 A 优先级排在最前面的任务 1 将运行 6 个时间片，即独占了这 6 个时间片。 如果实现时间片轮转，那么 A 优先级下的任务可以商量好，大家这样来：任务 1 先运行 2 个时间片，任务 2 再运行 2 个时间片，最后任务 3 也运行 2 个时间片，很公平，大家都被运行了。当然，也不一定平均分配，比如任务 1 先运行 1 个时间片，任务 2 再运行 2 个时间片，最后任务 3 运行 3 个时间片，这样也可以。相同优先级的任务，谁都可以被运行，这就是时间片轮转调度带来的好处了。现在，我们就来实现这个机制。 1 修改任务控制块 TCB（os.h）在实现轮转调度之前，先添加 TCB 的成员，有两个： TimeQuanta：用于记录该任务需要多少个时间片，这个值设置好后一般是不动的。 TimeQuantaCtr：用于时间片计数，表示任务剩余的时间片个数。一旦数到了零，说明该任务已经用完了时间片，需要切换其他任务了。 struct os_tcb{ CPU_STK *StkPtr; CPU_STK_SIZE StkSize; OS_PRIO Prio; /* 任务优先级 */ OS_TCB *NextPtr; /* 就绪列表双向链表的下一个指针 */ OS_TCB *PrevPtr; /* 就绪列表双向链表的前一个指针 */ OS_TCB *TickNextPtr; /* 指向链表的下一个 TCB 节点 */ OS_TCB *TickPrevPtr; /* 指向链表的上一个 TCB 节点 */ OS_TICK_SPOKE *TickSpokePtr; /* 用于回指到链表根部 */ OS_TICK TickCtrMatch; /* 该值等于时基计数器 OSTickCtr 的值加上 TickRemain 的值 */ OS_TICK TickRemain; /* 设置任务还需要等待多少个时钟周期 */ OS_TICK TimeQuanta; /* 任务需要多少个时间片 */ OS_TICK TimeQuantaCtr; /* 任务剩余的时间片个数 */ };
该函数实现了时间片轮转调度的功能，完成的步骤是： 传入的参数是就绪列表的一个数组元素，进而可以获知对应的双向链表头指针，即链表的第一个 TCB 节点。 如果双向链表为空，或者获得的是最低优先级的双向链表（是空闲任务 TCB 所在的地方），那么不进行调度。 否则就是普通情况了，把第一个 TCB 的时间片计数器减一。 如果减一后发现还未归零，则说明该任务的时间片未用完，不进行调度。 如果减一后发现还归零了，则说明该任务的时间片已用完，将第一个 TCB 放到链表最后。 第一个 TCB 换成了新的任务 TCB，设置好时间片计数器。 /* 时间片调度函数 */ #if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u void OS_SchedRoundRobin (OS_RDY_LIST *p_rdy_list) { OS_TCB *p_tcb; CPU_SR_ALLOC(); CPU_CRITICAL_ENTER(); /* 进入临界段 */ p_tcb = p_rdy_list->HeadPtr; /* 如果链表为空，或是空闲任务，则退出 */ if ((p_tcb == (OS_TCB *)0) || (p_tcb == &OSIdleTaskTCB)) { CPU_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界段 */ return; } /* 如果时间片未用完，时间片个数减一 */ if (p_tcb->TimeQuantaCtr > (OS_TICK)0) { p_tcb->TimeQuantaCtr--; } /* 如果减一后，时间片仍未用完，则退出 */ if (p_tcb->TimeQuantaCtr > (OS_TICK)0) { CPU_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界段 */ return; } /* 如果链表只有一个节点，则退出 */ if (p_rdy_list->NbrEntries < (OS_OBJ_QTY)2) { CPU_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界段 */ return; } /* 运行到此处时，意味着当前任务已经用完了时间片，将任务放到链表最后 */ OS_RdyListMoveHeadToTail (p_rdy_list); /* 重设下一个任务的时间片计数 */ p_tcb = p_rdy_list->HeadPtr; p_tcb->TimeQuantaCtr = p_tcb->TimeQuanta; CPU_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界段 */ } #endif需要注意的是，时间片轮转调度功能可以开启，也可以关闭，在宏定义 OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN 中（位于 os_cfg.h）可以设置。 3 修改相关代码接下来，修改有关时间片的代码部分。 3.1 SysTick 中断发起后调用 OSTimeTick()（os_time.c）当 SysTick 发起一次中断时，说明一个时间片已经过去，需调用 OS_SchedRoundRobin()，更新 TCB 中的时间片计数器，同时检查有无 TCB 的时间片用完。 void OSTimeTick (void) { /* 更新时基列表 */ OS_TickListUpdate(); /* 时间片调度 */ #if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u OS_SchedRoundRobin (&OSRdyList[OSPrioCur]); #endif /* 任务调度 */ OSSched(); } 3.2 任务创建函数 OSTaskCreate()（os_task.c）需要加入初始化时间片成员的代码。现在，创建一个任务时，用户还需要指定该任务的时间片个数。 /* 任务创建函数 */ void OSTaskCreate( OS_TCB *p_tcb, /* TCB指针 */ OS_TASK_PTR p_task, /* 任务函数名 */ void *p_arg, /* 任务的形参 */ OS_PRIO prio, /* 任务优先级 */ CPU_STK *p_stk_base, /* 任务栈的起始地址 */ CPU_STK_SIZE stk_size, /* 任务栈大小 */ OS_TICK time_quanta, /* 时间片个数 */ OS_ERR *p_err ) /* 错误码 */ { CPU_STK *p_sp; CPU_SR_ALLOC(); OS_TaskInitTCB (p_tcb); p_sp = OSTaskStkInit ( p_task, p_arg, p_stk_base, stk_size ); /* 任务栈初始化函数 */ p_tcb->Prio = prio; /* 任务优先级保存在 TCB 的 prio 中 */ p_tcb->StkPtr = p_sp; /* 剩余栈的栈顶指针 p_sp 保存到任务控制块 TCB 的 StkPtr 中 */ p_tcb->StkSize = stk_size; /* 将任务栈的大小保存到任务控制块 TCB 的成员 StkSize 中 */ p_tcb->TimeQuanta = time_quanta; #if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u p_tcb->TimeQuantaCtr = time_quanta; #endif OS_CRITICAL_ENTER(); /* 进入临界段 */ /* 将任务添加到就绪列表 */ OS_PrioInsert (p_tcb->Prio); OS_RdyListInsertTail (p_tcb); OS_CRITICAL_EXIT(); /* 退出临界段 */ *p_err = OS_ERR_NONE; /* 函数执行到这里表示没有错误 */ } 3.3 空闲任务初始化函数 OS_IdleTaskInit()（os_core.c）将空闲任务的时间片分配为 0，因为空闲任务位于最低优先级，而且是独占了最低优先级，因此不需要分配时间片。 /* 空闲任务初始化函数 */ void OS_IdleTaskInit (OS_ERR *p_err) { OSIdleTaskCtr = (OS_IDLE_CTR) 0; /* 计数器清零 */ OSTaskCreate ((OS_TCB*) &OSIdleTaskTCB, (OS_TASK_PTR) OS_IdleTask, (void *) 0, (OS_PRIO) (OS_CFG_PRIO_MAX - 1u), (CPU_STK *) OSCfg_IdleTaskStkBasePtr, (CPU_STK_SIZE) OSCfg_IdleTaskStkSize, (OS_TICK) 0, (OS_ERR *) &p_err); /* 创建空闲任务 */ } 4 时间片轮调度的应用 4.1 主函数 main()（app.c）需要修改的地方： 设置 Task1 优先级为 1，分配的时间片为 0；Task1 内部，两次阻塞延时都为 4。 设置 Task2 优先级为 2，分配的时间片为 2；Task2 内部不用两次阻塞延时，用两次软件延时； 设置 Task3 优先级为 2，分配的时间片为 2；Task3 内部不用两次阻塞延时，用两次软件延时； #include "ARMCM3.h" #include "os.h" #define TASK1_STK_SIZE 128 #define TASK2_STK_SIZE 128 #define TASK3_STK_SIZE 128 static CPU_STK Task1Stk[TASK1_STK_SIZE]; static CPU_STK Task2Stk[TASK2_STK_SIZE]; static CPU_STK Task3Stk[TASK3_STK_SIZE]; static OS_TCB Task1TCB; static OS_TCB Task2TCB; static OS_TCB Task3TCB; uint32_t flag1; uint32_t flag2; uint32_t flag3; void Task1 (void *p_arg); void Task2 (void *p_arg); void Task3 (void *p_arg); /* 软件延时 */ void delay(uint32_t count); int main (void) { OS_ERR err; /* 初始化相关的全局变量，创建空闲任务 */ OSInit(&err); /* CPU 初始化：初始化时间戳 */ CPU_Init(); /* 关中断，因为此时 OS 未启动，若开启中断，那么 SysTick 将会引发中断 */ CPU_IntDis(); /* 初始化 SysTick，配置 SysTick 为 10ms 中断一次，Tick = 10ms */ OS_CPU_SysTickInit(10); /* 创建任务 */ OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task1TCB, (OS_TASK_PTR) Task1, (void *) 0, (OS_PRIO) 1, (CPU_STK*) &Task1Stk[0], (CPU_STK_SIZE) TASK1_STK_SIZE, (OS_TICK) 0, (OS_ERR *) &err); OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task2TCB, (OS_TASK_PTR) Task2, (void *) 0, (OS_PRIO) 2, (CPU_STK*) &Task2Stk[0], (CPU_STK_SIZE) TASK2_STK_SIZE, (OS_TICK) 2, (OS_ERR *) &err); OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task3TCB, (OS_TASK_PTR) Task3, (void *) 0, (OS_PRIO) 2, (CPU_STK*) &Task3Stk[0], (CPU_STK_SIZE) TASK3_STK_SIZE, (OS_TICK) 2, (OS_ERR *) &err); /* 启动OS，将不再返回 */ OSStart(&err); } /* 软件延时 */ void delay (uint32_t count) { for(; count!=0; count--); } void Task1 (void *p_arg) { for (;;) { flag1 = 1; OSTimeDly (4); flag1 = 0; OSTimeDly (4); } } void Task2 (void *p_arg) { for (;;) { flag2 = 1; delay (0xFF); flag2 = 0; delay (0xFF); } } void Task3 (void *p_arg) { for (;;) { flag3 = 1; delay (0xFF); flag3 = 0; delay (0xFF); } } 4.2 运行过程 4.2.1 在主函数中 系统初始化：初始化各种全局变量，初始化优先级表，初始化就绪列表，初始化时基列表，初始化空闲任务（包括初始化空闲任务栈和空闲任务 TCB）。 CPU 初始化：暂为空。 关中断：因为此时 OS 未启动，若开启中断，那么 SysTick 将会引发中断，打断初始化流程。 初始化 SysTick：配置 SysTick 为 10ms 中断一次，Tick = 10ms。 创建任务：包括创建任务栈和任务 TCB，以及将 TCB 插入到就绪列表中，在优先级表对应位置置位。 启动系统：先找到最高优先级，然后开始运行最高优先级对应的任务（最高优先级为 1，即为 Task1），启动第一次任务切换（此时将完成最后的初始化流程，即有关 PendSV 的中断优先级配置，接着触发 PendSV 异常，发起任务切换），将 CPU 占有权交给任务 Task1。 4.2.2 在 Task1 中 flag1 = 1。 执行到阻塞函数 OSTimeDly：将 Task1 的 TCB 插入到时基列表中（TickCtrMatch = 4），将就绪列表中的 TCB 移除（同时在优先级表中的相应位置，即优先级 1 的位置清零），然后启动任务调度。 执行任务调度 OSSched：任务调度器先找到最高优先级，然后再找到最高优先级的任务。 TCB。如果发现该任务就是当前任务，则不进行任务切换。在本案例中发现最高优先级为 2，对应任务是 Task2，不是当前任务，则发起任务切换（发起 PendSV 异常）。 PendSV 异常处理程序：保存 Task1 的状态，加载 Task2 的状态，更新全局变量的值。此时时基计数器为 0，Task1 的延时时间是 4 个 SysTick 周期，OSCfg_TickWheelSize = 17，因此位于 OSCfg_TickWheel[4] 下的双向链表。 4.2.3 在 Task2 中 flag2 = 1。 软件延时后 flag2 = 0，再延时后又等于 1。此时 Task2 的 TimeQuantaCtr = 2。如此反复，直到一次 SysTick 中断的到来。 4.2.4 在 Task2 中 SysTick 发起中断 执行 OSTimeTick：时基计数器加一（OSTickCtr = 1），检查时基列表（OSCfg_TickWheel[1]），发现没有任务。检查当前任务 TCB 的时间片，时间片计数器减一，Task2 的 TimeQuantaCtr = 1，时间片未用完。最后发起任务调度，发现不用进行任务切换，Task2 继续运行。 SysTick 再次发起中断，执行 OSTimeTick：时基计数器加一（OSTickCtr = 2），检查时基列表（OSCfg_TickWheel[2]），发现没有任务。检查当前任务 TCB 的时间片，时间片计数器减一，Task2 的 TimeQuantaCtr = 0，时间片用完，移到链表的最后。最后发起任务调度，由于链表的第一个 TCB 是 Task3 的，切换到 Task3 继续运行。 4.2.5 在 Task3 中 flag3 = 1。 软件延时后 flag3 = 0，再延时后又等于 1。此时 Task3 的 TimeQuantaCtr = 2。如此反复，直到一次 SysTick 中断的到来。 4.2.6 在 Task3 中 SysTick 发起中断 执行 OSTimeTick：时基计数器加一（OSTickCtr = 3），检查时基列表（OSCfg_TickWheel[3]），发现没有任务。检查当前任务 TCB 的时间片，时间片计数器减一，Task3 的 TimeQuantaCtr = 1，时间片未用完。最后发起任务调度，发现不用进行任务切换，Task3 继续运行。 SysTick 再次发起中断，执行 OSTimeTick：时基计数器加一（OSTickCtr = 4），检查时基列表（OSCfg_TickWheel[4]），发现有任务，Task1 已经延时到期。将它置为就绪态，置为就绪态的过程是：在时基列表中删除 Task1 的 TCB，在就绪列表中加入 Task1 的 TCB（同时将 Task1 的优先级在优先级表中的相应位置重新置位）。检查当前任务 TCB 的时间片，时间片计数器减一，Task3 的 TimeQuantaCtr = 0，时间片用完，移到链表的最后。最后发起任务调度，发现最高优先级为 1 处有任务，为 Task1，切换到 Task1 中运行。 4.2.7 又在 Task1 中 flag1 = 0。 执行到阻塞函数 OSTimeDly：将 Task1 的 TCB 插入到时基列表中（TickCtrMatch = 4），将就绪列表中的 TCB 移除（同时在优先级表中的相应位置，即优先级 1 的位置清零），然后启动任务调度。 执行任务调度 OSSched：任务调度器先找到最高优先级，然后再找到最高优先级的任务。 TCB。如果发现该任务就是当前任务，则不进行任务切换。在本案例中发现最高优先级为 2，对应任务是 Task2，不是当前任务，则发起任务切换（发起 PendSV 异常）。 PendSV 异常处理程序：保存 Task1 的状态，加载 Task2 的状态，更新全局变量的值。如此反复，不再赘述。 4.3 实验现象Task1 被阻塞 4 个时间片的间隔内，Task2 和 Task3 轮流执行了一次，先是 Task2（运行 2 个时间片），后是 Task3（运行 2 个时间片）。这些色块代表了任务正在被执行，变量被不停地翻转，如下图：
假如设置 Task2 运行 1 个时间片，Task3 运行 3 个时间片，则会变成这样：
到此，uCOS 内核已经全部实现完毕，后面的内容是 uCOS 的 API 应用。 |
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