μC／OS-II就緒表算法在Cortex-M3架構(gòu)上的適配設(shè)計

μc/Os-Ⅱ的就緒表設(shè)置、清除、查找算法，是高效的、跨平臺的程序。它使用了兩個查找數(shù)組OSMapTbl[8]和OSUnMapTbl[256]，以提高查找就緒表的速度，盡快獲取就緒任務(wù)的最高優(yōu)先級。

Cortex-M3是ARM公司較新的一種架構(gòu)版本，主要應(yīng)用在單片機(jī)領(lǐng)域?；谒a(chǎn)的32位芯片日益增多;cortex-M3只支持Thumb-2指令集，在效能和代碼密度間能取得更佳的表現(xiàn)。

1 在ARM上改動算法的因由利弊

由于就緒表操作是在關(guān)中斷狀態(tài)下運(yùn)行的，其執(zhí)行影響到系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時間，因此就緒表操作算法的效率是衡量實(shí)時操作系統(tǒng)優(yōu)劣的基準(zhǔn)之一。

在Cortex-M3所用的指令集中，一些指令功能不可小覷，如前導(dǎo)零計數(shù)clz、字內(nèi)位反轉(zhuǎn)rbit、位清除bic。其中的clz和bic為μc/Os就緒表的高優(yōu)先級獲取算法指出了另一條道路。

(1)改動后的優(yōu)勢

①節(jié)省存儲空間。不再使用查找數(shù)組OSMapTbl[8]和OSUnMapTbl[256]。設(shè)立這兩個數(shù)組的目的，是為了提高查找就緒表的效率。

②提升查找效率。clz是單周期指令，使用帶移位的加法指令，大幅縮短運(yùn)算時間。

③增加了μc/Os-Ⅱ支持的任務(wù)數(shù)量，從64提升到了1 024(2.84版支持的任務(wù)數(shù)量已經(jīng)到了256，不過效率有所下降)。

(2)存在的不足

①Realview MDK(這里使用的是3.20版及其指令模擬器)尚不支持在C語言程序中使用Thumb-2指令內(nèi)聯(lián)匯編。使用內(nèi)嵌匯編函數(shù)時，函數(shù)的調(diào)用(跳轉(zhuǎn)返回)降低了執(zhí)行效率。

②C語言對clz指令的支持尚有不足，故新算法跨平臺性差。但鑒于ARM芯片應(yīng)用廣泛，指令又被ARM9之后的芯片廣泛兼容，所以應(yīng)用空間還算廣闊。

2 μc/Os-Ⅱ就緒表算法介紹與具體改動

μc/Os-Ⅱ就緒表是一個數(shù)組，數(shù)組元素一位的值(1或0)對應(yīng)了一個任務(wù)就緒與否，該位在數(shù)組中的位置表示任務(wù)的優(yōu)先級。當(dāng)需要調(diào)度已就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行時，就在就緒表中查找該任務(wù)。

2.1 μc/Os-Ⅱ就緒表算法簡介

一種解決方法是，對數(shù)組各項(xiàng)依次判斷是否為0：若>O，進(jìn)入該項(xiàng)查找最小權(quán)的置1位位置;若=0，優(yōu)先級加一個基數(shù)，查下一項(xiàng)，直至查到該優(yōu)先級。

μc/Os-Ⅱ技高一籌，設(shè)置了一個對就緒表各項(xiàng)判斷是否為0的變量，稱之為就緒表組。就緒表組一位為0或1，對應(yīng)就緒表一項(xiàng)的值是否為0。通過查找就緒表組最小權(quán)位的置1位位置，就確定了對應(yīng)首個>0的就緒表項(xiàng)的下標(biāo)，從而避免了循環(huán)，大幅度提高了效率。

2.2改動方式與源碼

clz算法接受了μc/Os-Ⅱ的思路，再通過使用clz指令來進(jìn)行優(yōu)化。不同的是，clz是從右往左查，二進(jìn)制的高權(quán)位對應(yīng)高優(yōu)先級，而μc/Os-Ⅱ優(yōu)先級以值小為高。

考慮到有時用不到很多任務(wù)，這時用數(shù)組作就緒表不免浪費(fèi)。因此當(dāng)任務(wù)總數(shù)小于32時，就用32位無符號整數(shù)變量作就緒表。注意，此時就緒表組變量OSRdyGrp被當(dāng)作就緒表使用。

常量OS_LES_TSK表示是否使用較小任務(wù)數(shù)，0表示使用最多32個任務(wù)，1表示使用最多1 024個任務(wù)。

常量RdySt是將32位整數(shù)的最高權(quán)位置1，以便移位使用。

2.3 C語言實(shí)現(xiàn)

以下算法利用內(nèi)嵌clz指令的函數(shù)編寫，實(shí)現(xiàn)了指定優(yōu)先級任務(wù)在就緒表的設(shè)置、清除，在就緒表中查找就緒任務(wù)的最高優(yōu)先級。

程序中的bx r14，有些資料上要求必須寫，不過查看反匯編代碼，編譯程序已經(jīng)給加上了?？磥硎蔷幾g程序已升級，會不會出錯要看使用的編譯器，建議還是按規(guī)范寫上。由于內(nèi)嵌函數(shù)調(diào)用返回耗時，查找算法未能充分發(fā)揮，需改進(jìn)編譯后的匯編代碼以實(shí)現(xiàn)更高的效率，或使用匯編代碼重寫這部分程序。

2.4 THUMB-2匯編指令實(shí)現(xiàn)

用匯編語言寫程序時的技巧：在最高優(yōu)先級任務(wù)的設(shè)置、清除函數(shù)中，C語言運(yùn)算符“︱=”對等匯編指令“orr”，“&=～”對等匯編指令“bic。這兩條指令都可以進(jìn)行預(yù)移位操作，大幅提高執(zhí)行效率?？梢圆榭捶磪R編源碼，看C編譯器是否利用了這一便利。

在查找函數(shù)中，可以省去C語言程序中的內(nèi)嵌匯編調(diào)用，減少冗余指令。示意偽代碼如下：

ldr rO， =OsRdyGrp;加載就緒表組變量OSRdyGrp地址

可以看出，除了數(shù)據(jù)加載指令外，查找的核心算法僅3條指令(使用<32個任務(wù)時，僅1條指令)。不過在實(shí)際設(shè)計算法的時候，還需要考慮指令流水線停頓，方能達(dá)到最佳的效果。

2.5 μC/OS-Ⅱ2.84版相關(guān)源碼介紹

以下是翻譯整理后的μC/OS-Ⅱ優(yōu)先級查找算法源碼(2.84版)，較長的注釋是添加的算法說明。

clz最高優(yōu)先級查找算法，與μC/OS-Ⅱ的新算法有所不同：返回的結(jié)果分別是8位、16位整數(shù)。這是因?yàn)?位已經(jīng)不能表示>255的值;過程中clz算法更多地使用16或32位整數(shù)，以充分利用芯片性能。

3 適用范圍

等待任務(wù)列表使用了與就緒表操作相似的過程，注意要同時更改其數(shù)據(jù)類型和算法。算法雖然是在Cortex—M3上執(zhí)行的，但適用于ARM9及其以后芯片。支持ARM指令集的芯片，可以在C語言中使用內(nèi)嵌匯編，不必再編寫匯編查找函數(shù)。

本文所敘述的算法適用于下述兩種情況。

①使用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)：

◆要求更多的任務(wù)優(yōu)先級;

◆要求產(chǎn)品性能優(yōu)越或是時間關(guān)鍵的應(yīng)用，想進(jìn)一

步提高效率;

◆學(xué)習(xí)、研究或希望優(yōu)化μC/OS-Ⅱ以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

②未使用μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)：

◆移植改造其他操作系統(tǒng)的就緒表算法;

◆編寫新操作系統(tǒng)或執(zhí)行調(diào)度程序;

◆編程愛好者借鑒、改進(jìn)編程方法。

結(jié) 語

Cortex-M3推出時，筆者就認(rèn)定它是單片機(jī)過渡到ARM的有力工具，其小存儲量使得它更適合用小型實(shí)時系統(tǒng)。在學(xué)習(xí)μC/OS-Ⅱ的過程中，發(fā)現(xiàn)其就緒表操作算法經(jīng)過改動或許更好，于是就做了本文所述的試驗(yàn)。