Nucleus PLUS任务调度

概述

Nucleus Plus内核(Kernel)的主要目的是管理实时任务的竞争执行(共享CPU)，为应用提供各种便利，高速响应外部事件。Nucleus Plus的系统结构如图1所看到的，能够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运行，它是Nucleus 嵌入式实时操作系统最核心的部分。为了控制运行过程，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，当中优先级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。每一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中的一个--执行、就绪、挂起、终止、完毕，如表1所看到的。任务具有不同的优先级，高优先级任务可以抢占低优先级任务，同优先级任务依照进入”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

执行Executing

任务当前正在被CPU运行。

就绪Ready

任务就绪，可是还有一个任务当前正在执行。

挂起Suspended

任务由于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。当任务处于这样的状态时，它将不再运行直到它被复位。

完毕Finished

任务完毕了．从入口函数中退出。任务处于这样的状态时，它将不再运行直到受到复位。

（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，假设须要切换的话，切换到哪个进程等。Nucleus实时操作系统的任务调度算法很easy，它包含时间片轮转算法和轮询算法。

时间片轮转算法是将同样优先级的任务都分配同样的时间片，当时间片用完后再转到下一个任务，轮流运行直到这个优先级的所有任务所有运行完成，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依照就绪时间的先后 顺序运行，当这个优先级的所有任务都运行完成后，再运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，进程调度的根据就是依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运行时则会抢占运行，迫使低优先级任务挂起。

Nucleus的调度时机包含：

(1)进程状态转换的时刻，即进程终止、进程睡眠；

(2)可执行队列中新添加一个进程时；

(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管理全部的任务，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优先级数同样），数组元素按任务优先级索引。数组中的每一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。 对于每一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在进行任务切换时须要计算最高优先级，为了高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，每组相应8个级别。比如第0组相应优先级0～7、第1组相应 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]标示一个组内详细的8个优先级，数组元素为8位整型，每一位相应组内一个优先级。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

若任务的优先级为Tc_priority，   
该任务的子优先级掩码为：tc_sub_priority=1<<(tc_priority&7)。   
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，比如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。

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

TCD_Lowest_Set_Bit[1]= 0,   
TCD_Lowest_Set_Bit[3]= 0,   
TCD_Lowest_Set_Bit[5]= 0,   
TCD_Lowest_Set_Bit[7]= 0,   
...,   
TCD_Lowest_Set_Bit[253]= 0,   
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

UNSIGNED        TCD_Priority_Groups;   
DATA_ELEMENT    TCD_Sub_Priority_Groups[TC_MAX_GROUPS];   
UNSIGNED_CHAR  TCD_Lowest_Set_Bit[256] = {0,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 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,   
 0, 2, 0, 1, 0};   
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 

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

ii. 恢复执行一个task时(tcc.c)--TCC_Resume_Task fuction

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

iii.获取当前最高优先级(tcc.c）

if (TCD_Priority_Groups & TC_HIGHEST_MASK)   
      index =  0;   
else if (TCD_Priority_Groups & TC_NEXT_HIGHEST_MASK)   
  index =  8;   
else if (TCD_Priority_Groups & TC_NEXT_LOWEST_MASK)   
  index =  16;   
else  
  index =  24;   
  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   
  temp =  TCD_Sub_Priority_Groups[index];//与priority_group相应，有32个Sub_Priority_Groups，通过index查找到相应的Sub_Priority_Groups   
  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[]、完毕调度后，该任务位会被清空，接着再次循环获取下一个任务优先级。
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