（学习日记）2024.03.14：UCOSIII第十六节：时间片

写在前面：
由于时间的不足与学习的碎片化，写博客变得有些奢侈。
但是对于记录学习（忘了以后能快速复习）的渴望一天天变得强烈。
既然如此
不如以天为单位，以时间为顺序，仅仅将博客当做一个知识学习的目录，记录笔者认为最通俗、最有帮助的资料，并尽量总结几句话指明本质，以便于日后搜索起来更加容易。


标题的结构如下：“类型”：“知识点”——“简短的解释”
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2024.03.14

  • 三十、UCOSIII：时间片
    • 1、实现时间片
      • 1. 修改任务TCB
      • 2. 实现时间片调度OS_SchedRoundRobin()函数
    • 2、修改OSTimeTick()函数
    • 3、修改OSTaskCreate()函数
    • 4、修改OS_IdleTaskInit()函数
    • 5、main()函数
    • 6、实验现象

三十、UCOSIII：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。

1、实现时间片

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

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)
};
  • （1）：TimeQuanta表示任务需要多少个时间片，单位为系统时钟周期Tick。
  • （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。

在这里插入图片描述

2. 实现时间片调度OS_SchedRoundRobin()函数

时间片调度函数OS_SchedRoundRobin()在os_core.c中实现，在OSTimeTick()调用。
在这里插入图片描述

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。

#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 */
  • （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。
  • （2）：获取链表的第一个节点。
  • （3）：如果节点为空，则退出。
  • （4）：如果节点不为空，看看是否是空闲任务，如果是则退出。
  • （5）：如果不是空闲任务，则时间片计数器TimeQuantaCtr减一操作。
  • （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。
  • （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。
  • （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。
  • （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。

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

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 */
    OSSched();
}

3、修改OSTaskCreate()函数

任务的时间片在函数创建的时候被指定

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;
}
  • （1）：时间片在任务创建的时候由函数形参time_quanta指定。
  • （2）：初始化任务TCB字段的时间片变量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。
  • （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。

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，没有其他的任务。

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 );
}

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
在这里插入图片描述

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);
    }
}
  • （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。
  • （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。
  • （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。

6、实验现象

进入软件调试，单击全速运行按钮就可看到实验波形，具体见图
在这里插入图片描述
在图中我们可以看到，在任务1的flag1置1和置0的两个时间片内， 任务2和3都各运行了一次，运行的时间均为1个时间片，在这1个时间片内任务2和3的flag变量翻转了好多次，即任务运行了好多次。

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