UCOSII内核代码分析

2024-03-06 08:28:25

1 UCOSII定义的关键数据结构

　　OS_EXT INT8U OSIntNesting;

　　OSIntNesting用于判断当前系统是否正处于中断处理例程中。

　　OS_EXT INT8U OSPrioCur;

　　OSPrioCur表示当前进程的优先级。

　　OS_EXT INT8U OSPrioHighRdy;

OSPrioHighRdy表示最高优先级任务的优先级。

　　OS_EXT OS_PRIO OSRdyGrp;

OSRdyGrp主要来标记可运行任务优先级除去低位3位或4位后的group bit位。例如任务的优先级为65（假设超过了系统最大的优先级超过了63，那么OS_PRIO应该有16位），由于超过了63，所以这个任务的group bit位为2^(65>>4)=2^4,也就是OSRdyGrp的第5位（从低位开始算起）为1。

　　OS_EXT OS_PRIO OSRdyTbl[OS_RDY_TBL_SIZE];

　　准备运行的任务标记，对应位为1表示任务可以运行，否则不能。

　　OS_EXT BOOLEAN OSRunning;

　　标志内核是否正在运行。

　　OS_EXT INT8U OSTaskCtr;

　　任务被创建的个数。

　　OS_EXT OS_TCB *OSTCBCur;

　　指向当前正在运行任务的TCB（任务控制块）。

　　OS_EXT OS_TCB *OSTCBFreeList;

　　空闲TCB块指针。

　　OS_EXT OS_TCB *OSTCBHighRdy;

　　指向最高优先级任务的TCB块。

　　OS_EXT OS_TCB *OSTCBList;

　　正在使用的TCB块的双向链表。

　　OS_EXT OS_TCB *OSTCBPrioTbl[OS_LOWEST_PRIO + 1u];

　　每个优先级对应的已创建的TCB块。

　　OS_EXT OS_TCB OSTCBTbl[OS_MAX_TASKS + OS_N_SYS_TASKS];

　　系统静态分配的一个系统中所有的TCB块，包括正在使用的和空闲的。

typedef struct os_tcb {

    OS_STK          *OSTCBStkPtr;        //指向任务的栈顶

    struct os_tcb   *OSTCBNext;             //指向TCB链表中的下一个TCB块

    struct os_tcb   *OSTCBPrev;             //指向TCB链表中的前一个TCB块

    INT32U           OSTCBDly;              //任务延迟时间

    INT8U            OSTCBStat;             //任务当前状态

    INT8U            OSTCBStatPend;         //任务悬挂状态

    INT8U            OSTCBPrio;             //任务优先级（0表示最高优先级）

    INT8U            OSTCBX;                //与任务优先级一致group bit位（一般是OSTCBPrio的低3位）

    INT8U            OSTCBY;                //与任务优先级一致的ready table（一般是OSTCBPrio高5位）

    OS_PRIO          OSTCBBitX;             //访问ready table的bit mask

    OS_PRIO          OSTCBBitY;             //访问ready group的bit mask

} OS_TCB

　　TCB块是任务的描述符，描述了任务的状态和运行时必须的信息。

2 系统初始化

在OSInit函数中初始化系统的各个数据结构，具体如下：

1、调用函数OS_InitMisc初始化OSIntNesting，OSTaskCtr，OSRunning等一些变量。

　　2、调用函数OS_InitRdyList初始化准备运行的OSRdyTbl表位都为空。

　　3、调用函数OS_InitTCBList和OSTCBPrioTbl表的数据都初始化为0，第i个控制块指向第i+1个控制块，并且都加入到OSTCBFreeList指向的链表中，把OSTCBList初始化为空链表。

　　4、调用函数OS_InitTaskIdle来创建一个Idle任务，该任务是优先级最低的任务，任务号为65535，优先级为63。

3 创建启动任务

　　然后我们自己调用OSTaskCreate函数创建我们自己的任务，具体如下：

　　1、先判断系统当前是否处于中断，如果是，则返回，因为当系统处于中断时是不允许创建任务的。

　　2、判断需要创建任务的优先级是否存在其它相同优先级的任务，如果存在，则返回，即相同优先级的任务只能有一个。

　　3、调用函数OSTaskStkInit初始化任务的栈。

　　4、调用函数OS_TCBInit初始化任务的TCB块。这个函数主要是从OSTCBFreeList链表获取空闲的TCB块并初始化这个控制块，然后将这个控制块从OSTCBFreeList链表中删除，并插入到OSTCBList链表中。

　　如果现在内核正在运行，那么调用函数OS_Sched切换任务。

　　OS_Sched函数主要用来切换任务，如果当前系统不处于中断例程中，就通过调用函数OS_SchedNew来获取当前已经准备好的最高优先级的任务（最高优先级主要通过OSRdyGrp和OSRdyTbl来计算得到），然后调用函数OS_TASK_SW来将任务切换到当前优先级最高的任务。

　　OS_TASK_SW函数则调用os_cpu_a.asm文件中的汇编函数OSCtxSw来触发PendSV异常来完成任务的切换，至于为什么要这样做可以参考前面讲的重点的PendSV。

　　PendSV异常的处理的伪代码如下：

PendSVHandler:

    if (PSP != NULL) {//判断程序的堆栈指针是否为空，为空说明这是第一个任务

        //当调用PendSVHandler()时，

        //CPU 就会自动保存xPSR、PC、LR、R12、R0-R3 寄存器到堆栈

        //保存后，CUP 的栈SP指针会切换到使用主堆栈指针MSP上

        //我们只需检测进入栈指针PSP是否为NULL就知道是否进行任务切换

        //因此当我们第一次启动任务是，OSStartHighRdy()就把PSP设为NULL，

        //避免系统以为已经进行任务切换

      Save R4-R11 onto task stack;   //手动保存 R4-R11

      OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;    //保存进入栈指针PSP到任务控制块

      //以便下次继续任务运行时继续使用原来的栈

    }

    OSTaskSwHook();                  //此处便于我们使用钩子函数来拓展功能

    OSPrioCur   = OSPrioHighRdy;        //获取最高优先级就绪任务的优先级

　　OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;        //获取最高优先级就绪任务的任务控制块指针

　　PSP        = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;   //保存进入栈指针

　　Restore R4-R11 from new task stack;       //从新的栈恢复 R4-R11 寄存器

    Return from exception;                   //返回

　　PendSV异常处理代码很简单，就是保存现场，将当前程序的堆栈指针保存到TCB块中，并将下一个要运行任务的栈指针更新到PSP中，同时恢复下一个运行任务的现场。

4 运行系统

　　一切都已经准备就绪，那么我们就调用函数OSStart运行系统。该函数和任务切换函数OS_TASK_SW差不多，只不过它会调用函数OSStartHighRdy将cpu的PSP初始化为0来运行我们系统中的第一个任务并将OSRunning标记为true来表示我们的内核开始运行了。

5 任务切换时机

　　从OS_Sched函数和OSStartHighRdy函数可以看出，它们总是选择当前可运行的最高优先级任务来运行，所以只有最高优先级的任务不让出cpu，低优先级的任务永远也不可能运行，所以发生任务切换的唯一时机就是高优先级的进行主动让出cpu。高优先级的任务可以调用函数OSTimeDlyHMSM来让自己延迟从而让出cpu，OSTimeDlyHMSM本质上是调用函数OSTimeDly来实现让出cpu的操作。下面来看看这个函数的具体实现：

void  OSTimeDly (INT32U ticks)

{

    if (OSIntNesting > 0u) {                     //系统正处于中断中

        return;

    }

    if (OSLockNesting > 0u) {                    //调度器加锁了

        return;

    }

    if (ticks > 0u) {                            //延迟时间大于0

        OS_ENTER_CRITICAL();

        y            =  OSTCBCur->OSTCBY;        //获取当前优先级的高位

        OSRdyTbl[y] &= (OS_PRIO)~OSTCBCur->OSTCBBitX;  //清空表中对应当前任务的bit位

        if (OSRdyTbl[y] == 0u) {

            OSRdyGrp &= (OS_PRIO)~OSTCBCur->OSTCBBitY;

        }

        OSTCBCur->OSTCBDly = ticks;              //设置当前任务的延迟时间

        OS_EXIT_CRITICAL();

        OS_Sched();                              //切换任务

    }

}

　　这个函数其实就是将本任务在OSRdyTbl表和OSRdyGrp对应的标记位清0，使得后面的调度函数OS_Sched可以选择其它优先级的任务，即当前任务让出cpu。这个函数还做的事就是设置当前任务的延迟时间到任务的TCB块中，这个时间会在SysTick处理函数中每个节拍的减少，直到减为0时，会将这个任务对应的bit位加入到OSRdyTbl表和OSRdyGrp中来获取cpu。

6 任务调度算法

　　UCOSII涉及的调度算法比较的简单，正如在任务切换时机里说的，只要高优先级的任务不让出cpu，低优先级的任务永远不可能得到cpu，调度器总是选择系统中已经就绪的最高优先级任务运行。问题就来了，调度器怎样确定到当前系统中任务的最高优先级是多少呢？当然最笨的方法是将OSTCBList链表都遍历一遍，这样肯定是可以的。但这样效率是很低的，特别是系统中就绪任务比较多的时候，它的时间复杂度位O(n)，n为系统中就绪任务的个数。UCOSII采用了一种比较巧妙的方法实现在O(1)的复杂度获得这个最高优先级值。

　　当一个任务就绪时，这个任务的优先级OSTCBPrio被拆分成两个部分，低4位的值存放在任务控制块的OSTCBX中，高4位存放在OSTCBY中。然后将2^OSTCBX的值存放在控制块的OSTCBBitX中，将2^OSTCBY存放在OSTCBBitY中。通过下面方法更新OSRdyTbl表和OSRdyGrp变量。

　　OSRdyGrp |= ptcb->OSTCBBitY;

　　OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;

　　OSRdyGrp存放了当前系统中所有就绪任务优先级高4位表示的bit位，OSRdyTbl表其实就是一个位图，用来标记系统中所有就绪任务的优先级，每一个优先级对应一个bit位。

有了这些信息，怎样来获取当前就绪任务中最高优先级的值呢？系统维护了一张表：

INT8U const OSUnMapTbl[256] = {

0u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x00 to 0x0F*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x10 to 0x1F*/

5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x20 to 0x2F*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x30 to 0x3F*/

6u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x40 to 0x4F*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x50 to 0x5F*/

5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x60 to 0x6F*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x70 to 0x7F*/

7u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x80 to 0x8F*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0x90 to 0x9F*/

5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xA0 to 0xAF*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xB0 to 0xBF*/

6u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xC0 to 0xCF*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xD0 to 0xDF*/

5u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, /* 0xE0 to 0xEF*/

4u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u, 3u, 0u, 1u, 0u, 2u, 0u, 1u, 0u /* 0xF0 to 0xFF*/

};

　　通过函数OS_SchedNew来获取最高的优先级值：

static  void  OS_SchedNew (void)

{

    INT8U     y;

    OS_PRIO  *ptbl;

    if ((OSRdyGrp & 0xFFu) != 0u) {

        y = OSUnMapTbl[OSRdyGrp & 0xFFu];

    } else {

        y = OSUnMapTbl[(OS_PRIO)(OSRdyGrp >> 8u) & 0xFFu] + 8u;

    }

    ptbl = &OSRdyTbl[y];

    if ((*ptbl & 0xFFu) != 0u) {

        OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 4u) + OSUnMapTbl[(*ptbl & 0xFFu)]);

    } else {

        OSPrioHighRdy = (INT8U)((y << 4u) + OSUnMapTbl[(OS_PRIO)(*ptbl >> 8u) & 0xFFu] + 8u);

    }

}

　　这个函数先根据OSRdyGrp值这张表来获得最高优先级的高4位的值y，然后通过OSRdyTbl[y]来获得低4位的值x，这样最终的值就是y<<4 + x。为什么这样就可以得到最高优先级呢？现在来看一个例子：假设OSRdyGrp = 10，对应的二进制值为1010，那么就绪任务中优先级前4位最小的值为1，由于OSRdyGrp的二进制值第二位为1（这个可以通过前面计算OSRdyGrp的方法来理解）。然后通过这个1，我们可以知道最高优先级在OSRdyTbl对应的bit位在OSRdyTbl[1]中，然后通过OSRdyTbl[1]来查表OSUnMapTbl同样可以获得最高优先级的低4位的值。然后合并这两个值就可以获得最高优先级的值了。

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