再議基于μC／OS-II的時間片調(diào)度法設計

引言
筆者曾在本刊2008年12期上發(fā)表過一篇文章——《基于μC／OS-11的時間片調(diào)度法設計》，近期在網(wǎng)絡上看到有很多感興趣的技術(shù)同行作了大量引用和轉(zhuǎn)載。根據(jù)在實際項目中的應用經(jīng)驗，有必要對其再議，主要原因如下：
①多任務的時間片調(diào)度在嵌入式領域有實用價值。一方面是很多嵌入式軟件系統(tǒng)升級有這種需求，舊的軟件模塊基于Endless Loop實現(xiàn)，升級到μC／OS-II后，若要最大限度地復用舊的軟件模塊，時間片調(diào)度算法是實現(xiàn)舊的設計模式到新架構(gòu)之間最簡單的橋梁。另一方面，對于控制領域，存在大量的耗時任務無法自動釋放控制權(quán)，時間片調(diào)度降低了任務設計的復雜度。剛剛發(fā)布不久的μC／OS-II，推出的重大改進之一就是增加了對Round Robin的支持，更是表明μC／OS-II的使用者們對該功能的實際需求是切實存在的。
②不更改μC／OS-II內(nèi)核代碼實現(xiàn)時間片調(diào)度?！痘?mu;C／OS-II的時間片調(diào)度法設計》對OS內(nèi)核代碼作了修改，雖然很少但增加了系統(tǒng)耦合度，對日后的項目維護和第三方升級都是不利的。如果存在完全不用更改內(nèi)核而僅基于OS服務的正常調(diào)用的實現(xiàn)方案，對系統(tǒng)的可靠性和移植性都是有益的。
③相對μC／OS-III，μC／OS-II仍然有廣泛的應用領域。μC／OS-III作出了重大的改進，增加了時間片調(diào)度，擴展了任務數(shù)的限制，允許了同等優(yōu)先級任務的存在，更多新特性的引入帶來了內(nèi)核結(jié)構(gòu)的重整以及運行時開銷的增加。雖然可以通過配置優(yōu)化系統(tǒng)，但就大部分的應用而言，μC／OS-II完全能夠勝任，至少不需要僅僅為了時間片調(diào)度功能而選用μC／OS-III。

1 調(diào)度原理
該調(diào)度算法對系統(tǒng)的要求有兩點：首先要建立一個額外的調(diào)度任務用于管理待調(diào)度的用戶任務時間片計時及其切換，我們將其命名為TaskRB_Scheduler；其次是保證其任務優(yōu)先級高于所有的待調(diào)度時間片任務，保證調(diào)度任務能搶占所有被調(diào)度任務的控制權(quán)。
我們假設系統(tǒng)中有3個任務需要分享時間片，分別為TaskRB_1、TaskRB_2、TaskRB_3。為了實現(xiàn)時間片的調(diào)度功能，還需要額外的調(diào)度任務TaskRB Scheduler，于是系統(tǒng)中的將會有4個任務。其中，TaskRB Scheduler由初始化代碼創(chuàng)建，而待調(diào)度的3個用戶任務的創(chuàng)建和管理完全由TaskRB Scheduler任務來完成。
TaskRB_Scheduler的運行分為兩個階段：首先是初始化階段，負責所有時間片任務的創(chuàng)立并確保其處于Suspend狀態(tài)；然后是調(diào)度運行階段，如圖1所示。

下面對照圖1對調(diào)度運行階段的各個步驟進行描述。
①TaskRB_Scheduler通過調(diào)用OSTaskResume使TaskRB_1處于Ready狀態(tài)(其他任務處于Suspend態(tài))。
②TaskRB_Scheduler調(diào)用OSTimeDly釋放控制權(quán)進入延時等待狀態(tài)，延時參數(shù)即為TaskRB_1任務運行的時間片長度，此時唯一處于Ready態(tài)的用戶任務TaskRB_1獲得控制權(quán)進入Running狀態(tài)。
③OSTimeDly超時發(fā)生，TaskRB_Schedulcr處于Rcady態(tài)并且由于任務優(yōu)先級高于TaskRB_1搶占其控制權(quán)，于是TaskRB_Scheduler進入運行狀態(tài)，TaskRB_1返回Ready態(tài)。
④TaskRB_Scheduler調(diào)用OSTaskSuspend讓處于Ready態(tài)的TaskRB_1進入Suspend狀態(tài)，避免其競爭下一個時間片。
⑤～⑧重復①～④步驟，對TaskRB_2分配運行時間片。
⑨～重復①～④步驟，對TaskRB_3分配運行時間片。
簡而言之，調(diào)度任務因為具有最高優(yōu)先級，可以根據(jù)時間片分配表啟動并打斷待調(diào)度的時間片任務，雖然時間片任務優(yōu)先級各不相同，但通過確保僅有一個時間片任務處于Readsr態(tài)的方法，避免了不同時間片任務之間的競爭
沖突。
為簡化示意圖，并沒有標注中斷ISR行為的影響，事實上ISR只能影響到任務時間片的長度而不會影響到任務片調(diào)度的流程；而對于時間片調(diào)度系統(tǒng)而言，通常都采用類似于前后臺系統(tǒng)的信號同步策略處理中斷數(shù)據(jù)，這已經(jīng)不是本文討論的重點。

2 實現(xiàn)代碼
原理比較簡單，僅僅給出 TaskRB_Scheduler部分代碼：


3 應用擴展
有項目經(jīng)驗的人都深知Demo和產(chǎn)品有著天壤之別，這句話同樣適用于此時間片調(diào)度方案。在實際應用中，我們還須關(guān)注到以下幾個方面。
(1)如何與非時間片調(diào)度任務協(xié)同工作
對于混合系統(tǒng)而言，作為時間片調(diào)度的任務通常都對實時性要求比較低，因此通常的做法是設置優(yōu)先級：實時任務優(yōu)先級>TaskRB_Sche duler>時間片任務>IDLE，時間片精度會會因為實時任務的搶占受到影響。
(2)如何處理時間片任務中的critical_section
critical section的處理很重要，我們一般不希望一個時間片任務在發(fā)送UART數(shù)據(jù)包的過程中被TaskRB_Scheduler暫時掐斷，但TaskRB_ Scheduler又的確無法預知時間片用戶的狀態(tài)。有兩種解決辦法：一是通過調(diào)度器上鎖，二是通過時間片任務和調(diào)度任務共享互斥量。顯然，調(diào)度器上鎖不是個好主意，會封鎖正常的任務切換，在上述的混合系統(tǒng)中簡直是不可想象的，但在純粹的時間片調(diào)度系統(tǒng)中不會帶來太多的麻煩。共享互斥量增加了系統(tǒng)資源的消耗，在混合系統(tǒng)中的運行時效率更高。
(3)運行時配置
TaskRB_Scheduler一方面是時間片的調(diào)度器，另一方面也是一個普通的μC／OS-II任務，在實際項目中可以通過創(chuàng)建任務鏈表的方式維護管理納入時間片調(diào)度的用戶任務，在運行時靈活地添加刪除任務列表以及調(diào)整時間片寬度。鑒于原理都很簡單，實現(xiàn)代碼不再贅述。