CN116521347A - 一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式实时操作系统的调度算法优化方法，在嵌入式实时系统μC/OS‑II中支持两级优先级实时调度。扩展后的优先级机制，一级优先级由用户决定，允许用户直接为多个功能或重要性一致的任务分配相同的优先级；二级优先级根据用户指定的优先级策略由系统自动分配，同一优先级下的任务可以按照二级优先级进行调度。扩展后每个任务的优先级仍然是唯一的，其形式为prio1/prio2。在使用优先级位图算法管理一级优先级的基础上，本发明扩展了OSRdyTbl_2用于管理二级优先级。本发明涉及的调度算法优化改进分为三个阶段：任务就绪、任务查找和任务结束。本发明大幅增加了嵌入式实时系统的优先级数量和任务并发数，同时保持较低的系统开销和响应时间。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式实时操作系统内核技术领域，具体涉及一种嵌入式实时操作系统μC/OS-II的任务调度算法的优化方法。
背景技术
μC/OS-II是一款功能强大、可靠性高的实时操作系统(Real Time OperatingSystem，RTOS)，具有高度的可移植性、可裁剪性和可配置性，通过采用抢占式优先级调度算法满足不同任务的实时调度需求。
原μC/OS-II任务优先级机制设有唯一的一级优先级，使用优先级位图来管理。μC/OS-II中每个任务的优先级大小与该整数值成反比，即0为最大优先级，数值越大，优先级越小。这种设计可以确保系统中任务的优先级是有序的，使得任务可以按照优先级的高低来调度和执行。由于任务数量和优先级数目的增加，使用一般的数据结构(例如链表)来管理任务的优先级可能会导致查找和更新就绪任务的时间过长，从而影响系统的实时性能。为了解决这一问题，μC/OS-II采用了优先级位图来管理任务优先级。优先级位图使用一个位数组OSRdyTbl和一个位变量OSRdyGrp来表示系统中所有任务的就绪状态。其中，OSRdyTbl由8个元素组成，每个元素有8位，共64位，每一位对应一个任务的优先级。如果该任务处于就绪状态，则相应的位为1，否则为0；OSRdyGrp是一个8位变量，每一位对应OSRdyTbl中的一组，1表示该组至少有一个就绪任务，0表示该组没有就绪任务。另外优先级判断表OSUnMapTbl是μC/OS-II任务调度算法中的一种优化策略，其基本思想是“以空间换时间”。优先级判断表是一个256个元素的数组，它记录了8位整型的最低有效位，即从最低位开始，第一个1所在的位数。优先级判断表的作用是为了快速地从就绪态任务中查找优先级最高的任务，并且保证时间复杂度可控。这种查找方式通过将任务的优先级位图与优先级判断表进行按位与运算，可以快速得到优先级最高的任务，避免了使用循环或者排序等耗时的算法，从而将查找的时间复杂度降低到了O(1)。优先级判断表会消耗有限的存储空间，但是相比较于时间效率的提升而言，这种消耗可以忽略不计。
然而，μC/OS-II不允许多个任务具有相同优先级，限制了并发任务的数量和灵活性。在嵌入式实时计算领域中，具有相同优先级的多任务应用场景较为常见，例如在路由管理中，有时需要为每个连接创建一个任务，而一个SNAT协议的路由其连接的最大可行数量达到了800个左右。如果强行为这些多任务应用分配不同的优先级，则必须添加额外的代码逻辑来维护任务调度的正确性和实时性，从而增加系统的复杂性和不一致性。此外，不允许任务有相同的优先级，还会限制μC/OS-II任务并发的数量。μC/OS-II最多只能创建64个优先级，除去保留系统使用的8个优先级，最多只支持56个任务，显然这无法满足一些复杂的应用场景。
虽然一些RTOS(如FreeRTOS)支持相同优先级任务以及较大的并发任务量。但这些系统通常在实时性、可靠性以及对FS、USB、GUI及CAN等应用场景支持方面较弱，不具备替代μC/OS-II的能力。
综上所述，在μC/OS-II有不可替代的优势的背景下，现存的μC/OS-II的单优先级机制难以满足现实背景下大量出现的具有相同优先级的多任务应用的需求，限制了并发任务的数量和灵活性，有必要对其优先级机制进行扩展。
发明内容
本发明的目的在于为嵌入式实时操作系统μC/OS-II扩展两级优先调度算法，在该嵌入式系统中支持两级优先级实时调度并扩展其可支持的任务调度总数以解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种嵌入式实时操作系统的任务调度算法优化方法，在嵌入式实时系统μC/OS-II中支持两级优先级实时调度，包括以下步骤：
步骤S1:任务就绪，任务就绪并等待内核调度时，任务调度模块根据所有就绪任务的用户定义的一级优先级prio1更新就绪状态表，输出更新后的优先级就绪组OSRdyGrp、一级优先级就绪表OSRdyTbl和二级优先级就绪表OSRdyTbl_2；
步骤S2:任务查找，查找最高优先级就绪任务，利用优先级位图OSUnMap与优先级判断表OSUnMapTbl，结合二级优先级就绪表OSRdyTbl_2，根据一级和二级优先级查找最高优先级就绪任务，输出由一级优先级prio1与二级优先级prio2构成的任务序列号；
步骤S3:任务结束，一个任务结束时根据其一级优先级prio1与二级优先级prio2构成的任务序列号将其从就绪状态中移除，同时对优先位图、一级与二级优先级就绪表进行更新。
本发明所述两级优先级层级功能包括：
一级优先级prio1:由用户决定，允许用户直接为多个功能或重要性一致的任务分配相优先级；以及二级优先级prio2:根据用户指定的优先级策略由系统自动分配，同一优先级下的任务可以按照二级优先级进行调度。
本发明所述扩展的二级优先级就绪表OSRdyTbl_2被指定为一个大小为64*2n(n>1)的数组，通过prio2＝OSRdyTbl_2[prio1]的形式实现任务一、二级优先级之间的映射。扩展后可支持的任务调度总数，二级优先级的数量可以根据需要分为2n(n>1)个，系统支持的任务调度总数可以扩充到2m(m＝n+6)个。特别地，当二级优先级分为4个时，可以利用μC/OS-II优先级数据剩余的两位存储二级优先级的数据。在一些对内存空间特别敏感的环境中(例如8位机)，这种优化可以减少内存空间的占用。如需处理更多任务，可以设定更多的二级优先级，以增加系统的并发能力。所述扩展后任务优先级表征的具有唯一性，即扩展后每个任务的优先级仍然是唯一的，其形式为prio1/prio2。
本发明允许用户自行定义二级优先级策略，策略可以根据实际情况满足特定场景下效率、实时性、公平性等性质的需要，并由用户具体指定；系统根据指定的策略自动赋予二级优先级。
进一步地，所述任务就绪阶段的控制过程S1包括以下步骤：
步骤S101:计算出任务所在一级优先级prio1对应在一级优先级就绪表中的第x组的第y位；步骤S102:更新一级优先级就绪表，将OSRdyGrp的第x位和OSRdyTbl[x]的第y位置1，表示内核中有一级优先级为prio1的任务就绪；
步骤S103:更新任务的对应的二级优先级，根据由用户自行定义的优先策略计算得到任务的二级优先级更新OSRdyTbl_2；某一任务的一级与二级优先级通过二级优先级就绪表OSRdyTbl_2建立映射关系，即OSRdyTbl_2[prio1]|＝1<<prio2。
进一步地，所述任务查找阶段的控制过程S2包括以下步骤：
步骤S201:找出任务管理系统中已就绪的任务中优先级最高的任务所在的一级优先级就绪组的组号x；
步骤S202:找出优先级最高的任务在一级优先级就绪表的第x组的第y位；
步骤S203:根据x和y计算得到优先级最高的任务的一级优先级prio1；
步骤S204:计算得到优先级最高的任务二级优先级prio2，通过OSRdyTbl_2和OSUnMapTbl根据一级优先级prio1查表可得，即prio2＝OSUnMapTbl[OSRdyTbl_2[prio1]]。
进一步地，所述任务结束阶段的控制过程S3包括以下步骤：
步骤S301:根据一级优先级prio1计算出任务所在优先级对应在一级优先级就绪表中的第x组的第y位；
步骤S302:对于一级优先级prio1与二级优先级prio2确定的任务，根据用户自行定义的二级优先级策略更新OSRdyTbl_2[prio1]，移除该任务的二级优先级表征；
步骤S303:当OSRdyTbl_2[prio1]置为0时，说明一级优先级为prio1的所有任务全部结束，更新任务一级优先级状态，移除该任务的一级优先级表征；
步骤S304:若OSRdyTbl[x]为0时，说明该一级优先级组的任务全部结束，将OSRdyGrp的x位置零，移除该组任务的优先级表征。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1.该算法能够有效提高实时操作系统并发能力和资源利用率，在扩展了任务并发数的基础上，可以支持调度相同优先级的任务，可适用于较复杂的嵌入式应用场景；
2.在系统层面，每个任务的优先级仍然是唯一的，由一级和二级优先级组合而成，这种唯一的优先级组合保证了任务的调度顺序，避免了任务间的竞争和不确定性，且优先级位图仍然适用，确保了系统的效率和实时性；
3.在用户层面，扩展后的优先级机制允许用户直接为多个功能或重要性一致的任务分配相同的优先级，无需设置额外的信号量或规则表，可以减少系统复杂度，使编程逻辑与工程逻辑更加一致，避免了逻辑不一致造成的系统复杂化；
4.该算法的时空开销较低。改进后的μC/OS-II在大幅增加优先级数量和任务并发数的同时，仅增加了可忽略不计的代码空间占用和编译后内核内存占用。同时，改进后的算法具有很好的时间效率，增加的指令只需要较少的时钟周期就能完成。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
在附图中：
图1为μC/OS-II优先级位图示意图；
图2为本发明实施例中演示的μC/OS-II两级优先级实时调度中的二级优先级位图图示。
具体实施方式
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
为了能够让本领域技术人员理解本发明提出的一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度算法，以下实施例中二级优先级调度策略均采用后到先服务(LCFS)策略进行说明，二级优先级采用8级，在32位机上进行模拟测试。
下面结合附图对本发明所涉及的内容和具体实施方式做进一步的阐释。图1为μC/OS-II优先级位图示意图，优先级位图使用一个位数组OSRdyTbl和一个位变量OSRdyGrp来表示系统中所有任务的就绪状态。图2为本发明提出的μC/OS-II两级优先级实时调度中的二级优先级位图图示,每个任务的优先级仍然是唯一的，由一级和二级优先级组合而成，二级优先级的数量可以根据需要分为4、8、16等2n(n>1)个，系统支持的任务调度总数可以扩充到256、512等2m(m＝n+6)个。下面的实施例中指定了8级的二级优先级，共支持64*8＝512种优先级配置(64是原有的一级优先级数量)。
实施例
本发明的实施例公开了任务就绪阶段，开始等待内核调度时任务调度模块会根据任务的优先级更新就绪状态表的基础上，赋予任务二级优先级的方法。
假设此时一个用户指定的一级优先级为27的任务就绪，而任务管理系统中已就绪的任务优先级分别为(3，27，27，45，61)。
步骤E101:计算出任务所在一级优先级prio1对应在优先级就绪表中的第x组的第y位，x和y的值通过prio1＝8x+y分解得到。在本实施例中27一级优先级在一级优先级就绪表的第3组，第3位，即27＝8x+y，得到x＝3，y＝3；
步骤E102:根据步骤E101得出的任务在一级优先级就绪表的位置更新一级优先级就绪表，在本实施例中即把OSRdyGrp的第3位和OSRdyTbl[3]的第3位置1，表示内核有27一级优先级的任务就绪；
步骤E103:更新任务的对应的二级优先级，根据由用户自行定义的优先策略计算得到任务的二级优先级，更新OSRdyTbl_2。在本实施例中更新27一级优先级对应的二级优先级prio2，即0b11000000(已有两个任务)更新为0b11100000(有三个任务)。最后更新二级优先级就绪表OSRdyTbl_2，任务的一级与二级优先级通过OSRdyTbl_2建立映射关系，即更新方式为OSRdyTbl_2[prio1]|＝1<<prio2。
本发明的实施例公开了任务查找阶段，在利用优先级位图OSUnMap与优先级判断表OSUnMapTbl的基础上结合二级优先级就绪表OSRdyTbl_2实现以两级优先级表述的最高优先级就绪任务的查找的方法。
仍假设任务管理系统中已就绪的任务优先级分别为(3，27，27，45，61)，则OSRdyGrp＝0b10101001且OSRdyTbl[1]＝0b00001000。
步骤E201:根据OSUnMapTbl和OSRdyGrp找出任务管理系统中已就绪的任务中优先级最高的任务所在的组x。在本实施例中x＝1，即优先级最高的任务在第一组，优先级范围为0～8；
步骤E202:找出优先级最高的任务在第x组的第y位，y的值通过OSUnMapTbl[OSRdyTbl[x]]计算得到。在本实施例中y＝3，即优先级最高的任务在第1组的第3位；
步骤E203:计算得到优先级最高的任务的一级优先级prio1。在本实施例中最高的任务的一级优先级prio1＝3；
步骤E204:计算得到优先级最高的任务二级优先级prio2，prio2＝OSRdyTbl_2[prio1]。在本实施例中OSRdyTbl_2[3]＝0b10000000，故二级优先级prio2＝7。
综上得到已就绪的最高优先级任务为3/7。
本发明的实施例公开了任务结束阶段，将一个任务从就绪状态中移除，同时优先位图、一级与二级优先级就绪表进行更新的方法。过程中根据任务序列号prio1/prio2，从二级优先级开始逐层向上移除对应任务、任务组的就绪状态。
仍假设任务管理系统中已就绪的任务优先级分别为(3，27，27，45，61)，考虑序列号为3/7的任务结束时的情况。
步骤E301:根据一级优先级prio1计算出任务所在优先级对应在一级优先级就绪表中的第x组的第y位；参考步骤E101、E201和E202中的方法，在本实施中x＝1，y＝3；
步骤E302:根据一级优先级prio1与二级优先级prio2确定的任务，根据指定的二级优先级策略更新OSRdyTbl_2[prio1]，移除该任务的二级优先级。本实施例中此处更新策略为OSRdyTbl_2[prio1]&＝～(1<<prio2)；
步骤E303:若当OSRdyTbl_2[prio1]的prio2位置0时，说明一级优先级为prio1的所有任务全部结束，更新任务一级优先级状态，移除该任务的一级优先级表征。本实施例中此处的更新策略为OSRdyTbl[x]&＝～(1<<y)；
步骤E304:若当OSRdyTbl[x]为0时，说明该组优先级的任务全部结束，将OSRdyGrp的x位置零，移除该组任务的优先级表征。本实施例中此处的更新策略为OSRdyGrp&＝～(1<<x)。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，在嵌入式实时系统μC/OS-II中支持两级优先级实时调度，包括以下步骤：
步骤S1:任务就绪，任务就绪并等待内核调度时，任务调度模块根据所有就绪任务的用户定义的一级优先级prio1更新就绪状态表，输出更新后的优先级就绪组OSRdyGrp、一级优先级就绪表OSRdyTbl和二级优先级就绪表OSRdyTbl_2；
步骤S2:任务查找，查找最高优先级就绪任务，利用优先级位图OSUnMap与优先级判断表OSUnMapTbl，结合二级优先级就绪表OSRdyTbl_2，根据一级和二级优先级查找最高优先级就绪任务，输出由一级优先级prio1与二级优先级prio2构成的任务序列号；
步骤S3:任务结束，一个任务结束时根据其一级优先级prio1与二级优先级prio2构成的任务序列号将其从就绪状态中移除，同时对优先位图、一级与二级优先级就绪表进行更新。
2.根据权利要求1所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述两级优先级层级功能包括：
一级优先级prio1:由用户决定，允许用户直接为多个功能或重要性一致的任务分配相同的优先级；以及
二级优先级prio2:根据用户指定的优先级策略由系统自动分配，同一优先级下的任务可以按照二级优先级进行调度。
3.根据权利要求1所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述扩展的二级优先级就绪表OSRdyTbl_2：OSRdyTbl_2被指定为一个大小为64*2n(n>1)的数组，通过prio2＝OSRdyTbl_2[prio1]的形式实现任务一、二级优先级之间的映射。
4.根据权利要求2所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，扩展后可支持的任务调度总数：二级优先级的数量可以根据需要分为2n(n>1)个，系统支持的任务调度总数可以扩充到2m(m＝n+6)个。
5.根据权利要求2所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述扩展后任务优先级表征的唯一性：扩展后每个任务的优先级仍然是唯一的，其形式为prio1/prio2。
6.根据权利要求2所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述用户自行定义的二级优先级策略：策略可以根据实际情况满足特定场景下效率、实时性、公平性等性质的需要，由用户具体指定；系统根据指定的策略自动赋予二级优先级。
7.根据权利要求1所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述任务就绪阶段的控制过程包括以下步骤：
步骤S101:计算出任务所在一级优先级prio1对应在一级优先级就绪表中的第x组的第y位；
步骤S102:更新一级优先级就绪表，将OSRdyGrp的第x位和OSRdyTbl[x]的第y位置1，表示内核中有一级优先级为prio1的任务就绪；
步骤S103:更新任务的对应的二级优先级，根据由用户定义的优先策略计算得到任务的二级优先级更新OSRdyTbl_2。
8.根据权利要求1所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述任务查找阶段的控制过程包括以下步骤：
步骤S201:找出任务管理系统中已就绪的任务中优先级最高的任务所在的一级优先级就绪组的组号x；
步骤S202:找出优先级最高的任务在一级优先级就绪表的第x组的第y位；
步骤S203:根据x和y计算得到优先级最高的任务的一级优先级prio1；
步骤S204:计算得到优先级最高的任务二级优先级prio2，通过OSRdyTbl_2和OSUnMapTbl根据一级优先级prio1查表可得，即prio2＝OSUnMapTbl[OSRdyTbl_2[prio1]]。
9.根据权利要求1所述一种嵌入式实时操作系统的两级优先调度方法，其特征在于，所述任务结束阶段的控制过程包括以下步骤：
步骤S301:根据一级优先级prio1计算出任务所在优先级对应在一级优先级就绪表中的第x组的第y位；
步骤S302:对于一级优先级prio1与二级优先级prio2确定的任务，根据用户自行定义的二级优先级策略更新OSRdyTbl_2[prio1]，移除该任务的二级优先级表征；
步骤S303:当OSRdyTbl_2[prio1]置为0时，说明一级优先级为prio1的所有任务全部结束，更新任务一级优先级状态，移除该任务的一级优先级表征；
步骤S304:若OSRdyTbl[x]为0时，说明该一级优先级组的任务全部结束，将OSRdyGrp的x位置零，移除该组任务的优先级表征。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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