Nucleus PLUS任務調度

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概述

Nucleus Plus核心(Kernel)的主要目的是管理即時任務的競爭運行(共用CPU)，為應用提供各種便利，快速響應外來事件。Nucleus Plus的系統結構1所示，可以看出線程式控制制是整個核心的核心，通過郵箱、隊列、管道來實現任務之間的通訊，通過訊號量、事件組和訊號實現任務間的同步。

線程式控制制組件用來管理即時任務和進階中斷服務的執行，它是Nucleus 嵌入式即時作業系統最核心的部分。為了控制執行過程，任務通常被分配一個優先順序。任務優先順序的範圍從0到255，優先順序0的優先權最高。除非搶佔標示位被置為無效，否則低優先順序的任務將被高優先順序就緒的任務搶佔。為保證對外來事件的即時性響應，Nucleus設計了進階中斷服務HISR，它的優先順序範圍從0到2，其中優先順序0的層級最高。

任務調度線程就負責搶佔式即時任務和HISR的調度管理。每個使用者應用由多個工作群組成，一個任務就是具有特定目的的半獨立程式片段，任務處於五種狀態之一--運行、就緒、掛起、終止、完成，如表1所示。任務具有不同的優先順序，高優先順序任務能夠搶佔低優先順序任務，同優先順序任務按照進入”就緒狀態“的順序調度，優先順序從0-255遞減。

表1 Nucleus任務的五種狀態

	狀態意義
運行Executing	任務當前正在被CPU執行。
就緒Ready	任務就緒，但是另一個任務當前正在運行。
掛起Suspended	任務因為服務等待需求而體眠。當需求滿足時，任務變為就緒狀態。預設情況下，新建立的任務都處於
終止Terminated	任務被終止。當任務處於這種狀態時，它將不再執行直到它被複位。
完成Finished	任務完成了．從入口函數中退出。任務處於這種狀態時，它將不再執行直到受到複位。

（一）任務調度演算法

Nucleus發送器用來決定是否要進行任務切換，如果需要切換的話，切換到哪個進程等。Nucleus即時作業系統的任務調度演算法非常簡單，它包括時間片輪轉演算法和輪詢演算法。

時間片輪轉演算法是將相同優先順序的任務都分配相同的時間片，當時間片用完後再轉到下一個任務，輪流執行直到這個優先順序的所有任務全部執行完畢，然後再轉到下一個優先順序。輪詢演算法是在本優先順序內的所有任務按照就緒時間的先後 順序執行，當這個優先順序的全部任務都執行完畢後，再執行下一個優先順序的任務。

再者，Nucleus即時作業系統具有可搶佔性，進程調度的依據就是按照優先順序從高到低順序進行調度。當低優先順序任務在運行時，高優先順序任務就緒準備執行時則會搶佔執行，迫使低優先順序任務掛起。

Nucleus的調度時機包括：

(1)進程狀態轉換的時刻，即進程終止、進程睡眠；

(2)可運行隊列中新增加一個進程時；

(3)當前進程的時間片用完；

(4)進程從系統調用返回到使用者態；

(5)核心處理完中斷後，進程返回到使用者態。

（二）Nucleus PLUS任務管理1，主要任務控制結構

Nucleus PLUS每一個任務都有一個控制結構體稱為線程式控制制塊Thread Control Block(TCB)，任務支援動態建立和刪除，TC通過一個雙向鏈表TCD_Created_Tasks_List管理所有的任務，全域變數TCD_Total_Tasks表示已建立的總任務數。

TCD_Priority_List是一個大小為256的TCB指標數組TC_TCB (*TCD_Priority_List)[256]（數組大小與Nucleus PLUS優先順序數相同），數組元素按任務優先順序索引。數組中的每個元素都是某個優先順序就緒任務鏈表的頭。若某元素為空白則表明那個優先順序沒有就緒任務。 對於每個優先順序的就緒工作清單，TCB是以雙向列表的形式儲存。即Nucleus PLUS維護一個指標數組來調度不同優先順序的任務鏈表。

圖2 TCD_Priority_List

2，任務優先順序管理

Nucleus在進行任務切換時需要計算最高優先順序，為了快速的計算就緒任務中最高的優先順序，Nucleus PLUS引入了一種優先順序分組+尋找表機制。

2.1 TCD_Priority_Groups

任務的優先順序從0到255，0的優先順序別最高，255的優先順序別最低。256個優先順序分成32組，每組對應8個層級。例如第0組對應優先順序0～7、第1組對應 8～15、...。用32位整型變數TCD_Priority_Groups的每一位標示優先順序組是否有任務進入就緒狀態，某位為1表示改組至少有一個任務就緒。

圖3 TCD_Priority_Groups

2.2 TCD_Sub_Priority_Groups[]

子優先順序數組TCD_Sub_Priority_Groups[32]標示一個組內具體的8個優先順序，數組元素為8位整型，每一位對應組內一個優先順序。如TCD_Sub_Priority_Groups[0]表示第0組（優先順序0-7）任務的就緒狀態，第0位為1表明優先順序0的任務就緒、第7位為1表明優先順序7的任務就緒。

圖4 TCD_Sub_Priority_Groups

若任務的優先順序為Tc_priority，   該任務的子優先順序掩碼為：tc_sub_priority=1<<(tc_priority&7)。   該任務的優先順序組掩碼為：tc_priority_group=1<<((tc_priority)>>3)。

2.3 TCD_Lowest_Set_Bit[]

TCD_Lowest_Set_Bit[]是一個尋找表（元素預先已計算出），該表是8位整型資料的序號和資料8個位中第一個為1的位的位置（從高往底數）的，例如TCD_Lowest_Set_Bit[n]=value,n指8位整型數的值（就是序號），value指的是8個位中第一個為1的位置（從低往高數）。如Unsigned Char 7的二進位是0000 0111，第一個為1的位位0，value=0，TCD_Lowest_Set_Bit[7] = 0。

如此便可以求得表TCD_Lowest_Set_Bit[256]。舉例，8位整型數中位0為1的資料包括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 任務建立和優先順序管理的基本過程

任務優先順序管理全域變數

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;//就緒狀態任務的最高優先順序  

i.建立一個task時(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));//組內子優先順序計算，0-7   priority =  priority >> 3;//優先順序組計算，有32個組   task -> tc_priority_group = ((UNSIGNED) 1) << priority;//優先順序組回應群組標示位置1   task -> tc_sub_priority_ptr = &(TCD_Sub_Priority_Groups[priority]);//指向子優先順序起始  

ii. 恢複運行一個task時(tcc.c)--TCC_Resume_Task fuction

TCD_Priority_Groups = TCD_Priority_Groups | (task -> tc_priority_group);//組號儲存到全域變數      *(task -> tc_sub_priority_ptr) = (*(task -> tc_sub_priority_ptr)) | task -> tc_sub_priority;//組內值儲存到全域變數   

iii.擷取當前最高優先順序(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)];//擷取組號中1的最低排位，取值範圍0~31     temp =  TCD_Sub_Priority_Groups[index];//與priority_group對應，有32個Sub_Priority_Groups，通過index尋找到相應的Sub_Priority_Groups     TCD_Highest_Priority = (index << 3) + TCD_Lowest_Set_Bit[temp];//擷取到實際的最高優先順序  

擷取到實際的最高優先順序後，將最高優先順序的任務掛入Tcd_priority_list[]、完成調度後，該任務位會被清空，接著再次迴圈擷取下一個任務優先順序。