uCOS-II 基于时间片轮转调度文档

### uCOS-II 基于时间片轮转调度文档 #### 1. 需求分析 随着科技的进步及市场需求的增长，嵌入式软件在移动通信、信息家电及工业控制等领域发挥着越来越重要的作用。这不仅推动了相关行业的迅速发展，同时也对嵌入式软件提出了更高的要求。在这一背景下，很多软件公司开始寻求有效的解决方案来提升其产品的性能和竞争力。然而，由于缺乏嵌入式操作系统这一核心技术，许多公司在开发过程中遇到了瓶颈。 μC/OS-II 是一款开源且授权费用较低的操作系统，因此成为了嵌入式产品开发的一个理想选择。它主要通过单一的基于优先级的抢占式调度算法来满足实时性需求，但在实际应用中也暴露出一些问题。例如，对于那些实时性要求不高或者周期性任务，由于缺乏时间片调度机制，低优先级的任务难以得到执行的机会。这不仅增加了编程的复杂度，也影响了系统的整体效率和灵活性。 为了更好地适应不同应用场景的需求，特别是在那些实时性要求不高但任务数量众多的情况下，本文档提出了一种改造方案，即在 μC/OS-II 的基础上实现时间片轮转调度机制。这样不仅可以保留原有的实时任务支持，还能为非实时任务提供更公平的调度策略，从而提高整个系统的利用率和响应速度。 #### 2. 系统设计 为了实现上述目标，我们将 μC/OS-II 中的任务划分为三个层次： 1. **实时任务**：这些任务保留原有的绝对优先级调度策略，主要用于满足系统驱动或通信等对实时性有较高要求的应用场景。 2. **分时任务**：在这一层次中引入时间片轮转调度机制，使得各个任务能够轮流获得 CPU 的执行时间，适合处理事务性任务或对实时性要求不高的场景。 3. **后台任务**：包括 STATISTICS 任务和 IDLE 任务，通常在系统空闲时运行，只有当实时任务和分时任务均未处于就绪状态时才会被调度。 在 μC/OS-II 中，原有的五种任务状态（就绪、运行、挂起、被中断和被延时）的基础上新增了一种“等待”状态（`OS_STAT_TS_USEUP`），用于表示任务正在等待新的时间片分配。当处于运行状态的任务时间片耗尽时，它将进入等待状态。如果所有分时任务都处于等待状态，则系统将重新分配时间片并让它们恢复到就绪状态。 #### 3. 系统实现 ##### 3.1 数据结构中的变量增加 为了实现时间片轮转调度机制，我们需要在数据结构中增加以下变量： 1. **OSTCBTimeSlice**：这是一个整型变量，用于存储每个任务的时间片大小。它在任务创建时被初始化，并在整个运行过程中保持不变。 2. **OSTCBCounter**：也是一个整型变量，用于记录任务当前还剩下多少时间片。每当一轮调度开始时，该变量会被设置为与 `OSTCBTimeSlice` 相同的值，并在任务运行过程中递减。 此外，还需要定义以下常量： - **OS_LOWEST_RT_PRIO**：定义最低实时任务的优先级。 - **OS_RT_PRIO**：定义实时任务的优先级范围。 在 `uCOS_II.h` 文件中，还需要增加两个全局变量用于保存等待队列中的任务： - **OSTSSGrp**：一个 8 位无符号整型变量。 - **OSTSSTbl[OS_RDY_TBL_SIZE]**：一个数组，用于存储等待队列中的任务。 ##### 3.2 相关函数的修改 1. **OS_TCBInit()**：在初始化任务控制块的函数中，根据任务的优先级初始化时间片大小。实时任务和 IDLE 任务不分配时间片。 ```c if (prio < OS_STAT_PRIO && prio > OS_RT_PRIO) { /* 实时任务和 IDLE 任务不分配时间片 */ pTCB->OSTCBTimeSlice = (OS_STAT_PRIO - prio) * 5 + 1; pTCB->OSTCBCounter = pTCB->OSTCBTimeSlice; } else { pTCB->OSTCBTimeSlice = 0; pTCB->OSTCBCounter = 0; } ``` 2. **OSTimeTick()**：在每个时钟滴答时被调用，负责递减时间片计数器。当计数器为 0 时，意味着当前任务的时间片已耗尽，此时任务将被切换至等待状态。 ```c void OSTimeTick(void) { ... if (OSTCBCur->OSTCBTimeSlice > 0) { // 如果是分时任务 OSTCBCur->OSTCBCounter--; // 减少剩余时间片计数 if (OSTCBCur->OSTCBCounter == 0) { // 如果时间片耗尽 OSTCBCur->OSTCBState = OS_STAT_TS_USEUP; // 设置为等待状态 OSIntNesting++; // 嵌套级别加一 OS_Sched(); // 重新调度 OSIntNesting--; // 嵌套级别减一 } } ... } ``` 通过以上步骤，我们可以在 μC/OS-II 的基础上成功实现了基于时间片轮转的调度机制，既保留了对实时任务的支持，又增强了对非实时任务的处理能力。这种改进不仅提高了系统的灵活性，也为开发者提供了更多选择的空间，使其能够更好地适应多种应用场景的需求。