12. 实现时间片¶
本章开始，我们让OS支持同一个优先级下可以有多个任务的功能，这些任务可以分配不同的时间片，当任务时间片用完的时候，任务会从链表的头部移动到尾部，让下一个任务共享时间片，以此循环。
12.1. 实现时间片¶
12.1.1. 修改任务TCB¶
为了实现时间片功能，我们需要先在任务控制块TCB中添加两个时间片相关的变量，具体见 代码清单13-1 的高亮部分。
代码清单‑1在 TCB中添加时间片相关的变量
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 | struct os_tcb {
CPU_STK *StkPtr;
CPU_STK_SIZE StkSize;
/* 任务延时周期个数 */
OS_TICK TaskDelayTicks;
/* 任务优先级 */
OS_PRIO Prio;
/* 就绪列表双向链表的下一个指针 */
OS_TCB *NextPtr;
/* 就绪列表双向链表的前一个指针 */
OS_TCB *PrevPtr;
/*时基列表相关字段*/
OS_TCB *TickNextPtr;
OS_TCB *TickPrevPtr;
OS_TICK_SPOKE *TickSpokePtr;
OS_TICK TickCtrMatch;
OS_TICK TickRemain;
/* 时间片相关字段 */
OS_TICK TimeQuanta;(1)
OS_TICK TimeQuantaCtr;(2)
};
|
代码清单13-1:（1）：TimeQuanta表示任务需要多少个时间片，单位为系统时钟周期Tick。
代码清单13-1:（2）：TimeQuantaCtr表示任务还剩下多少个时间片，每到来一个系统时钟周期，TimeQuantaCtr会减一，当TimeQuantaCtr等于零的时候，表示时间片用完，任务的TCB会从就绪列表链表的头部移动到尾部，好让下一个任务共享时间片。
12.1.2. 实现时间片调度函数¶
12.1.2.1. OS_SchedRoundRobin()函数¶
时间片调度函数OS_SchedRoundRobin()在os_core.c中实现，在OSTimeTick()调用，具体见 代码清单13-2 。在阅读代码清单13‑2的时候，可配 图13-1 一起理解，该图画的是在一个就绪链表中，有三个任务就绪，其中在优先级2下面有两个任务，均分配了两个时间片，其中任务3的时 间片已用完，则位于链表的末尾，任务2的时间片还剩一个，则位于链表的头部。当下一个时钟周期到来的时候，任务2的时间片将耗完，相应的TimeQuantaCtr会递减为0，任务2的TCB会被移动到链表的末尾，任务3则被成为链表的头部，然后重置任务3的时间片计数器TimeQuantaCtr的值为2，重新享有 时间片。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 | #if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u(1)
void OS_SchedRoundRobin(OS_RDY_LIST *p_rdy_list)
{
OS_TCB *p_tcb;
CPU_SR_ALLOC();
/* 进入临界段 */
CPU_CRITICAL_ENTER();
p_tcb = p_rdy_list->HeadPtr;(2)
/* 如果TCB节点为空，则退出 */
if (p_tcb == (OS_TCB *)0) {(3)
CPU_CRITICAL_EXIT();
return;
}
/* 如果是空闲任务，也退出 */
if (p_tcb == &OSIdleTaskTCB) {(4)
CPU_CRITICAL_EXIT();
return;
}
/* 时间片自减 */
if (p_tcb->TimeQuantaCtr > (OS_TICK)0) {(5)
p_tcb->TimeQuantaCtr--;
}
/* 时间片没有用完，则退出 */
if (p_tcb->TimeQuantaCtr > (OS_TICK)0) {(6)
CPU_CRITICAL_EXIT();
return;
}
/* 如果当前优先级只有一个任务，则退出 */
if (p_rdy_list->NbrEntries < (OS_OBJ_QTY)2) {(7)
CPU_CRITICAL_EXIT();
return;
}
/* 时间片耗完，将任务放到链表的最后一个节点 */
OS_RdyListMoveHeadToTail(p_rdy_list);(8)
/* 重新获取任务节点 */
p_tcb = p_rdy_list->HeadPtr;(9)
/* 重载默认的时间片计数值 */
p_tcb->TimeQuantaCtr = p_tcb->TimeQuanta;
/* 退出临界段 */
CPU_CRITICAL_EXIT();
}
#endif/* OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u */
|
代码清单13-2:（1）：时间片是一个可选的功能，是否选择由OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN控制，该宏在os_cfg.h定义。
代码清单13-2:（2）：获取链表的第一个节点。
代码清单13-2:（3）：如果节点为空，则退出。
代码清单13-2:（4）：如果节点不为空，看看是否是空闲任务，如果是则退出。
代码清单13-2:（5）：如果不是空闲任务，则时间片计数器TimeQuantaCtr减一操作。
代码清单13-2:（6）：时间片计数器TimeQuantaCtr递减之后，则判断下时间片是否用完，如果没有用完，则退出。
代码清单13-2:（7）：如果时间片用完，则判断性该优先级下有多少个任务，如果是一个，就退出。
代码清单13-2:（8）：时间片用完，如果该优先级下有两个以上任务，则将刚刚耗完时间片的节点移到链表的末尾，此时位于末尾的任务的TCB字段中的TimeQuantaCtr是等于0的，只有等它下一次运行的时候值才会重置为TimeQuanta。
代码清单13-2:（9）：重新获取链表的第一个节点，重置时间片计数器TimeQuantaCtr的值等于TimeQuanta，任务重新享有时间片。
12.2. 修改OSTimeTick()函数¶
任务的时间片的单位在每个系统时钟周期到来的时候被更新，时间片调度函数则由时基周期处理函数OSTimeTick()调用，只需要在更新时基列表之后调用时间片调度函数即可，具体修改见 代码清单13-3 的高亮部分。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | void OSTimeTick (void)
{
/* 更新时基列表 */
OS_TickListUpdate();
#if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u
/* 时间片调度 */
OS_SchedRoundRobin(&OSRdyList[OSPrioCur]);
#endif
/* 任务调度 */
O SSched();
}
|
12.3. 修改OSTaskCreate()函数¶
任务的时间片在函数创建的时候被指定，具体修改见 代码清单13-4 中的高亮部分。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 | void OSTaskCreate (OS_TCB *p_tcb,
OS_TASK_PTR p_task,
void *p_arg,
OS_PRIO prio,
CPU_STK *p_stk_base,
CPU_STK_SIZE stk_size,
OS_TICK time_quanta,(1)
OS_ERR *p_err)
{
CPU_STK *p_sp;
CPU_SR_ALLOC();
/* 初始化TCB为默认值 */
OS_TaskInitTCB(p_tcb);
/* 初始化堆栈 */
p_sp = OSTaskStkInit( p_task,
p_arg,
p_stk_base,
stk_size );
p_tcb->Prio = prio;
p_tcb->StkPtr = p_sp;
p_tcb->StkSize = stk_size;
/* 时间片相关初始化 */
p_tcb->TimeQuanta = time_quanta;(2)
#if OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN > 0u
p_tcb->TimeQuantaCtr = time_quanta;(3)
#endif
/* 进入临界段 */
OS_CRITICAL_ENTER();
/* 将任务添加到就绪列表 */
OS_PrioInsert(p_tcb->Prio);
OS_RdyListInsertTail(p_tcb);
/* 退出临界段 */
OS_CRITICAL_EXIT();
*p_err = OS_ERR_NONE;
}
|
代码清单13-3:（1）：时间片在任务创建的时候由函数形参time_quanta指定。
代码清单13-3:（2）：初始化任务TCB域的时间片变量TimeQuanta，该变量表示任务能享有的最大的时间片是多少，该值一旦初始化后就不会变，除非认为修改。
代码清单13-3:（3）：初始化时间片计数器TimeQuantaCtr的值等于TimeQuanta，每经过一个系统时钟周期，该值会递减，如果该值为0，则表示时间片耗完。
12.4. 修改OS_IdleTaskInit()函数¶
因为在OS_IdleTaskInit()函数中创建了空闲任务，所以该函数也需要修改，只需在空闲任务创建函数中，添加一个时间片的形参就可，时间片我们分配为0， 因为在空闲任务优先级下只有空闲任务一个任务，没有其它的任务，具体修改见 代码清单13-5 的高亮部分。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | void OS_IdleTaskInit(OS_ERR *p_err)
{
/* 初始化空闲任务计数器 */
OSIdleTaskCtr = (OS_IDLE_CTR)0;
/* 创建空闲任务 */
OSTaskCreate( (OS_TCB *)&OSIdleTaskTCB,
(OS_TASK_PTR )OS_IdleTask,
(void *)0,
(OS_PRIO)(OS_CFG_PRIO_MAX - 1u),
(CPU_STK *)OSCfg_IdleTaskStkBasePtr,
(CPU_STK_SIZE)OSCfg_IdleTaskStkSize,
(OS_TICK )0,
(OS_ERR *)p_err );
}
|
12.5. main函数¶
这里，我们创建任务1、2和3，其中任务1的优先级为1，时间片为0，任务2和任务3的优先级相同，均为2，均分配两个两个时间片，当任务创建完毕后，就绪列表的分布图具体见 图13-3_。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 | int main(void)
{
OS_ERR err;
/* CPU初始化：1、初始化时间戳 */
CPU_Init();
/* 关闭中断 */
CPU_IntDis();
/* 配置SysTick 10ms 中断一次 */
OS_CPU_SysTickInit (10);
/* 初始化相关的全局变量 */
OSInit(&err);
/* 创建任务 */
OSTaskCreate( (OS_TCB *)&Task1TCB,
(OS_TASK_PTR )Task1,
(void *)0,
(OS_PRIO )1,(1)
(CPU_STK *)&Task1Stk[0],
(CPU_STK_SIZE )TASK1_STK_SIZE,
(OS_TICK )0,(1)
(OS_ERR *)&err );
OSTaskCreate( (OS_TCB *)&Task2TCB,
(OS_TASK_PTR )Task2,
(void *)0,
(OS_PRIO )2,(2)
(CPU_STK *)&Task2Stk[0],
(CPU_STK_SIZE )TASK2_STK_SIZE,
(OS_TICK )1,(2)
(OS_ERR *)&err );
OSTaskCreate( (OS_TCB *)&Task3TCB,
(OS_TASK_PTR )Task3,
(void *)0,
(OS_PRIO )2,(2)
(CPU_STK *)&Task3Stk[0],
(CPU_STK_SIZE )TASK3_STK_SIZE,
(OS_TICK )1,(2)
(OS_ERR *)&err );
/* 启动OS，将不再返回 */
OSStart(&err);
}
void Task1( void *p_arg )
{
for ( ;; ) {
flag1 = 1;
OSTimeDly(2);
flag1 = 0;
OSTimeDly(2);
}
}
void Task2( void *p_arg )
{
for ( ;; ) {
flag2 = 1;
//OSTimeDly(1);(3)
delay(0xff);
flag2 = 0;
//OSTimeDly(1);
delay(0xff);
}
}
void Task3( void *p_arg )
{
for ( ;; ) {
flag3 = 1;
//OSTimeDly(1);(3)
delay(0xff);
flag3 = 0;
//OSTimeDly(1);
delay(0xff);
}
}
|
代码清单13-6:（1）：任务1的优先级为1，时间片为0。当同一个优先级下有多个任务的时候才需要时间片功能。
代码清单13-6:（2）：任务2和任务3的优先级相同，均为2，且分配相同的时间片，时间片也可以不同。
代码清单13-6:（3）：因为任务2和3的优先级相同，分配了相同的时间片，也可以分配不同的时间片，并把阻塞延时换成软件延时，不管是阻塞延时还是软件延时，延时的时间都必须小于时间片，因为相同优先级的任务在运行的时候最大不能超过时间片的时间。
