修改uCOS_II以实现“优先级+时间片”联合调度

本文在uCOS II上增加时间片任务调度的的原理：

对设置为同优先级的任务使用时间片调度，不同优先级任务仍然使用uCOS II的优先级调度策略。在同优先级任务的时间片调度中，所有任务暂时时间片长度固定，时间片的调度使用FIFO（先进先出）队列。

整体的描述参看下图。



上图中假设有3个优先级为5的任务，3个优先级为8的任务。纵向，第一列的OS_TCB形成OSTCBList双向链表（通过OSTCBNext和OSTCBPrev指针，这是原uCOS II系统已经有的部分）。横向，通过OSPSPrev和OSPSNext指针形成时间片链表（实际上是FIFO），这部分是我们在uCOS II上要增加的内容。第一列的任务每当有任务时间片用完后将挪到队列尾，从FIFO中选择下一个任务，这就是本文的时间片调度的过程。总体上看来，不同优先级使用了uCOS II原有的优先级调度策略，相同优先级之间增加了时间片调度策略，因此本文称为“优先级+时间片”联合调度。

下面我们列出实现时间片调度要修改的一些结构和函数，我们可以通过调试跟踪了解uCOS II的机理，从而理解为什么要这么做。

1 修改结构体OS_TCB（ucos_ii.h文件中）

增加4个成员变量用于时间片调度。

struct os_tcb {
...

/* 增加下面4个成员 */
struct os_tcb *OSPSNext;  /* 同一优先级下，每个任务的后向指针 */
struct os_tcb *OSPSPrev;  /* 同一优先级下，每个任务的前向指针 */
INT8U OSPSLen;            /* 该任务分配的时间片             */
INT8U OSPSCurLen;         /* 该任务当前剩下的时间片          */
} OS_TCB;

2 修改OS_TCBInit任务结构体初始化函数（os_core.c文件）

在OS_TCBInit中增加时间片长度的初始化，我们可以先在os_cfg_r.h中宏定义一个时间片长度用于不同情况下的配置，

#define TIME_SLICE_LEN            10

OS_TCBInit函数中增加结构体成员初始化

ptcb->OSPSLen = TIME_SLICE_LEN;
ptcb->OSPSCurLen = TIME_SLICE_LEN;
ptcb->OSPSNext = (OS_TCB*)0;
ptcb->OSPSPrev = (OS_TCB*)0;

当出现同优先级的情况时，任务控制块插入到时间片链表中而不是优先级链表中，OS_TCBInit函数中要增加将任务插入到时间片链表的过程，我写的一个示例如下：

if (ptcb != (OS_TCB *)0) {
...

OSTCBPrioTbl[prio] = ptcb;
if (OSTCBList != (OS_TCB *) 0) { /* 不存在同优先级任务， 按照uCOS ii方法链接到OSTCBList */
ptcb->OSTCBNext    = OSTCBList; /* Link into TCB chain                      */
ptcb->OSTCBPrev    = (OS_TCB *)0;
if (OSTCBList != (OS_TCB *)0) {
OSTCBList->OSTCBPrev = ptcb;
}
OSTCBList               = ptcb;
OSRdyGrp               |= ptcb->OSTCBBitY; /* Make task ready to run */
OSRdyTbl[ptcb->OSTCBY] |= ptcb->OSTCBBitX;
} else {  /* 出现同优先级情况，链接到时间片链表 */
while(ptcb1->OSPSNext!=(OS_TCB*) 0)
{
ptcb1=ptcb1->OSPSNext;   /* move to the rear of time slice list */
}
ptcb1->OSPSNext = ptcb;
ptcb->OSPSPrev = ptcb1;
ptcb->OSPSNext=(OS_TCB*) 0;

ptcb->OSTCBNext = (OS_TCB *)0;
ptcb->OSTCBPrev = (OS_TCB *)0;
}

OSTaskCtr++;  /* Increment the #tasks counter             */
OS_EXIT_CRITICAL();
return (OS_ERR_NONE);
}

3 修改时钟中断函数OSTimeTick（os_core.c文件）

增加时间片调度的内容，这是时间片调度的主要部分。给出一个示例：

OSTimeTick (void)
{
...
OS_TCB *ptcb1;

if (OSRunning == TRUE)
{
ptcb = OSTCBList;		/* Point at first TCB in TCB list           */
while (ptcb->OSTCBPrio != OS_IDLE_PRIO)
{			/* Go through all TCBs in TCB list          */
OS_ENTER_CRITICAL ();

/* delay time out */
...

/* time slice count down */
if (ptcb->OSPSCurLen != 0) {
--ptcb->OSPSCurLen;
} else {  /* time slice out */
/* reload time slice */
ptcb->OSPSCurLen = ptcb->OSPSLen;

ptcb1 = ptcb->OSPSNext;
if (ptcb1 != (OS_TCB*) 0) {  /* there are some tasks with the same priority */
/* (1) link new to priority-level list */
ptcb1->OSTCBNext = ptcb->OSTCBNext;
ptcb1->OSTCBPrev = ptcb->OSTCBPrev;
if (ptcb->OSTCBNext != (OS_TCB *)0) {
ptcb->OSTCBNext->OSTCBPrev = ptcb1;
}
if (ptcb->OSTCBPrev != (OS_TCB *)0) {
ptcb->OSTCBPrev->OSTCBNext = ptcb1;
}
ptcb->OSTCBPrev = (OS_TCB *)0;
ptcb->OSTCBNext = (OS_TCB *)0;

/* (2) update OSTCBList if TCBcur is OSTCBList*/
if (ptcb == OSTCBList) {
OSTCBList = ptcb1;
}

/* (3) Compute X, Y, BitX and BitY */
ptcb1->OSTCBY = ptcb1->OSTCBPrio >> 3;
ptcb1->OSTCBBitY = OSMapTbl[ptcb1->OSTCBY];
ptcb1->OSTCBX = ptcb1->OSTCBPrio & 0x07;
ptcb1->OSTCBBitX = OSMapTbl[ptcb1->OSTCBX];

/* (4) set task to be ready */
if (ptcb1->OSTCBDly == 0) {
OSRdyGrp |= OSMapTbl[ptcb1->OSTCBY];
OSRdyTbl[ptcb1->OSTCBY] |= OSMapTbl[ptcb1->OSTCBX];
}

/* (5) move ptcb to the rear of queue */
while(ptcb1->OSPSNext!=(OS_TCB*) 0)
{
ptcb1=ptcb1->OSPSNext;
}
ptcb1->OSPSNext = ptcb;
ptcb->OSPSPrev = ptcb1;
ptcb->OSPSNext=(OS_TCB*) 0;

/* (6) set OSTCBPrioTbl for Context switch */
OSTCBPrioTbl[ptcb1->OSTCBPrio]=ptcb1;
} else {
// do nothing
}
}

/*
* (7) don't forgot that after time slice
* schedule, ptcb->OSTCBNext==NULL
*/
if (ptcb->OSTCBNext != (OS_TCB*)0) {
ptcb = ptcb->OSTCBNext;
} else if (ptcb1->OSTCBNext != (OS_TCB*)0) {
ptcb = ptcb1->OSTCBNext;
} else {
break;
}

OS_EXIT_CRITICAL ();
}
}
}

OK，修改好上面的内容就大致实现了在uCOS II上增加时间片调度的过程，通过修改时间片长度TIME_SLICE_LEN可以验证时间片长度对任务调度的影响。本文
最后在硬件平台STM32F103RB上测试通过，但因为时间片的引入而且未对程序做相关优化，因此时间片调度的实时性提高上还有待完善。