2021年03月08日 | μC／OS-II就绪表算法在Cortex-M3架构上的适配设计

μc／Os-Ⅱ的就绪表设置、清除、查找算法，是高效的、跨平台的程序。它使用了两个查找数组OSMapTbl[8]和OSUnMapTbl[256]，以提高查找就绪表的速度，尽快获取就绪任务的最高优先级。

Cortex-M3是ARM公司较新的一种架构版本，主要应用在单片机领域。基于它生产的32位芯片日益增多；cortex-M3只支持Thumb-2指令集，在效能和代码密度间能取得更佳的表现。

1 在ARM上改动算法的因由利弊

由于就绪表操作是在关中断状态下运行的，其执行影响到系统的中断响应时间，因此就绪表操作算法的效率是衡量实时操作系统优劣的基准之一。

在Cortex-M3所用的指令集中，一些指令功能不可小觑，如前导零计数clz、字内位反转rbit、位清除bic。其中的clz和bic为μc／Os就绪表的高优先级获取算法指出了另一条道路。

(1)改动后的优势

①节省存储空间。不再使用查找数组OSMapTbl[8]和OSUnMapTbl[256]。设立这两个数组的目的，是为了提高查找就绪表的效率。

②提升查找效率。clz是单周期指令，使用带移位的加法指令，大幅缩短运算时间。

③增加了μc／Os-Ⅱ支持的任务数量，从64提升到了1 024(2．84版支持的任务数量已经到了256，不过效率有所下降)。

(2)存在的不足

①Realview MDK(这里使用的是3．20版及其指令模拟器)尚不支持在C语言程序中使用Thumb-2指令内联汇编。使用内嵌汇编函数时，函数的调用(跳转返回)降低了执行效率。

②C语言对clz指令的支持尚有不足，故新算法跨平台性差。但鉴于ARM芯片应用广泛，指令又被ARM9之后的芯片广泛兼容，所以应用空间还算广阔。

2 μc／Os-Ⅱ就绪表算法介绍与具体改动

μc／Os-Ⅱ就绪表是一个数组，数组元素一位的值(1或0)对应了一个任务就绪与否，该位在数组中的位置表示任务的优先级。当需要调度已就绪的最高优先级任务运行时，就在就绪表中查找该任务。

2．1 μc／Os-Ⅱ就绪表算法简介

一种解决方法是，对数组各项依次判断是否为0：若>O，进入该项查找最小权的置1位位置；若=0，优先级加一个基数，查下一项，直至查到该优先级。

μc／Os-Ⅱ技高一筹，设置了一个对就绪表各项判断是否为0的变量，称之为就绪表组。就绪表组一位为0或1，对应就绪表一项的值是否为0。通过查找就绪表组最小权位的置1位位置，就确定了对应首个>0的就绪表项的下标，从而避免了循环，大幅度提高了效率。

2．2改动方式与源码

clz算法接受了μc／Os-Ⅱ的思路，再通过使用clz指令来进行优化。不同的是，clz是从右往左查，二进制的高权位对应高优先级，而μc／Os-Ⅱ优先级以值小为高。

考虑到有时用不到很多任务，这时用数组作就绪表不免浪费。因此当任务总数小于32时，就用32位无符号整数变量作就绪表。注意，此时就绪表组变量OSRdyGrp被当作就绪表使用。

常量OS_LES_TSK表示是否使用较小任务数，0表示使用最多32个任务，1表示使用最多1 024个任务。

常量RdySt是将32位整数的最高权位置1，以便移位使用。

2．3 C语言实现

以下算法利用内嵌clz指令的函数编写，实现了指定优先级任务在就绪表的设置、清除，在就绪表中查找就绪任务的最高优先级。

程序中的bx r14，有些资料上要求必须写，不过查看反汇编代码，编译程序已经给加上了。看来是编译程序已升级，会不会出错要看使用的编译器，建议还是按规范写上。由于内嵌函数调用返回耗时，查找算法未能充分发挥，需改进编译后的汇编代码以实现更高的效率，或使用汇编代码重写这部分程序。

2．4 THUMB-2汇编指令实现

用汇编语言写程序时的技巧：在最高优先级任务的设置、清除函数中，C语言运算符“︱=”对等汇编指令“orr”，“＆=～”对等汇编指令“bic。这两条指令都可以进行预移位操作，大幅提高执行效率。可以查看反汇编源码，看C编译器是否利用了这一便利。

在查找函数中，可以省去C语言程序中的内嵌汇编调用，减少冗余指令。示意伪代码如下：

ldr rO， =OsRdyGrp；加载就绪表组变量OSRdyGrp地址

可以看出，除了数据加载指令外，查找的核心算法仅3条指令(使用<32个任务时，仅1条指令)。不过在实际设计算法的时候，还需要考虑指令流水线停顿，方能达到最佳的效果。

2．5 μC／OS-Ⅱ2．84版相关源码介绍

以下是翻译整理后的μC／OS-Ⅱ优先级查找算法源码(2．84版)，较长的注释是添加的算法说明。

clz最高优先级查找算法，与μC／OS-Ⅱ的新算法有所不同：返回的结果分别是8位、16位整数。这是因为8位已经不能表示>255的值；过程中clz算法更多地使用16或32位整数，以充分利用芯片性能。

3 适用范围

等待任务列表使用了与就绪表操作相似的过程，注意要同时更改其数据类型和算法。算法虽然是在Cortex—M3上执行的，但适用于ARM9及其以后芯片。支持ARM指令集的芯片，可以在C语言中使用内嵌汇编，不必再编写汇编查找函数。

本文所叙述的算法适用于下述两种情况。

①使用μC／OS-Ⅱ系统：

◆要求更多的任务优先级；

◆要求产品性能优越或是时间关键的应用，想进一

步提高效率；

◆学习、研究或希望优化μC／OS-Ⅱ以扩展其应用范围。

②未使用μC／OS-Ⅱ系统：

◆移植改造其他操作系统的就绪表算法；

◆编写新操作系统或执行调度程序；

◆编程爱好者借鉴、改进编程方法。

结 语

Cortex-M3推出时，笔者就认定它是单片机过渡到ARM的有力工具，其小存储量使得它更适合用小型实时系统。在学习μC／OS-Ⅱ的过程中，发现其就绪表操作算法经过改动或许更好，于是就做了本文所述的试验。