μC/OSII用于教学与研究是免费的。近些年来，我国各类大学的嵌入式系统教学中纷纷采用μC/OSII作为教材。而μC/OSII也被移植到几乎所有的CPU上。各类杂志上发表的相关论文也数目可观，虽然大部分论文只谈到移植。 μC/OSII是为8位 CPU写的RTOS小内核，任务调度算法巧妙，移植到任何处理器上都很好用。而对于一些有RTOS优先级算法硬件指令的16/32/64位的处理器，照搬μC/OSII的8位算法、强行移植μC/OSII未必恰当。
1 μC/OS的调度算法
μC/OS采用优先级至上的任务调度原则：“让进入就绪态任务中优先级最高的那个任务，一进入就绪态立刻就能立即运行”。这种基于优先级的任务调度原则，在嵌入式实时系统中最常用。μC/OS实现了一种巧妙的查表算法，利用这种算法能快速实现上述任务调度原则。这种查表算法的大致思路是，用8字节数组中的64位作为就绪任务表，每一位表示一个任务的状态，该位为1表示任务就绪，0为非就绪态。64位中第一个字节的b0位代表64个任务中优先级最高的任务，最后一个字节的b7位代表优先级最低的空闲任务。通过2次查用一张常数数组表，迅速找出任务就绪表中就绪态任务中优先级最高的那个。常数表中，按照0～7表示的8种不同权重，以一定规律排列128个0、64个1、32个2、16个3,8个4、4个5、2个6和1个7，再补上1个0后，共256字节。查表法避免了逐位检测各优先级位引起的执行时间的不确定性，程序简单，执行速度快，且时间是固定的，与就绪任务多少无关，与任务优先级无关。这是μC/OS任务调度的核心算法。在处理信号量、邮箱、消息队列等事件时，为了查找等待事件发生的任务列表中优先级最高的那个任务，也采用同样的算法，查的是同一张常数数组表。
μC/OS最初是为Motorola的增强型8位处理器MC68HC11写的，算法精彩，将其移植到其他8位、16位处理器，这种8位机算法无懈可击。除任务就绪表外，μC/OSII在多处使用了上述调度算法。典型地，在事件控制块ECB中有：
INT8UOSEventTbl[OS_EVENT_TBL_SIZE];
INT8UOSEventGrp;
这里，OS_EVENT_TBL_SIZE 的默认值为8，即以8个8位数的数组表示最多64个不同优先级的任务；OSEventGrp是OSEventTbl的索引字节，这就是μC/OS算法中著名的8+1个字节数据结构。当OSEventTbl 中的某一个字节不为0时（表示该字节代表的8个任务中至少有1个在等待事件发生），OSEventGrp 中的相应位置1。首先以OSEventGrp的值做偏移量，查那张256字节的常数表，获得1个0到7的数Y，作为优先级高3位，再根据Y的值，找出OSEventTbl中8个字节中最先出现的那个不为零的字节；然后再次查那张表，得到1个0到7的数X，找出字节中最靠近b0的那一位，作为优先级低3位的值，通过将Y左移3位再加上X的值，得到等待事件发生任务中优先级最高的那个任务的优先级。
在每个任务的任务控制块TCB中有下列定义，可以看出，任务优先级被拆分成两个8进制数X和Y,用来以空间换时间，加快优先级查找速度：
INT8UOSTCBX;/*=priority & 0x07;*/
INT8UOSTCBY;/*=priority >> 3;*/
INT8UOSTCBBitX;/*=OSMapTbl[priority & 0x07];*/
INT8UOSTCBBitY;/*=OSMapTbl[priority >> 3];*/
以上是μC/OS任务调度算法的简要介绍，Jean J. Laborosse 先生最先用这种算法实现了RTOS中基于优先级的调度策略，是μC/OS任务调度算法的精华与核心技术。
2 优先级算法指令
对于32位和64位处理器，特别是一些精简指令流类型的处理器，其内部有可直接用于RTOS优先级算法的硬件指令。以PowerPC 处理器为例，予以说明。这里顺便解释一下，PowerPC是IBM、Motorola和Apple三家公司于90年代初期联合设计的32位处理器，90年代后期出现增强型32位处理器，大量用于嵌入式系统，特别是汽车、通信等行业。本世纪初期，还出现了64位的处理器。在64位PowerPC 处理器指令中，有2条可供RTOS算法使用的指令：
cntlzd (Count Leading Zeros Double Word)
cntlzw (Count Leading Zeros Word)
上述指令也可简称为CLZ指令。设某通用源寄存器RS中有一个64位数，b0是高位，b63是低位，执行cntlzd指令后，在目标寄存器RD中返回源寄存器RS中64位数的前导零的数目。返回0表示b0不为0，即该64位数没有前导0；返回n表示bn不为0，bn位的前面n位（b0～bn-1）共有n个零;返回64表示RS寄存器中所有位都为0。
如果用一个64位数表示64个任务的优先级，从b0开始到b63，b0为最高优先级，b63表示最低优先级，使用cntlzd指令，可迅速找出优先级最高的那个任务。RISC类型的处理器，执行1条指令一般只需要1个CPU时钟周期。执行该指令，仅一个CPU时钟周期就可完成对64个不同优先级任务的判选。在这类处理器上直接移植和套用μC/OSII软件算法，显然不合理。
对于32位的PowerPC，也有汇编指令cntlzw。 数出一个32位数前置零的数目。指令执行后，RD中返回指定源寄存器RS中32位数的前置零的数目，返回0表示b0不为0，即没有前导0，返回32表示寄存器RS中所有的位都为0。这一条指令可从32个任务中迅速找出优先级最高的那个任务。若使用2个32位数表示64个不同任务的优先级，则下面是使用该指令实现μC/OSII算法的示意性代码。
初始化：
Prio = 0；
让寄存器变量指向任务就绪表；
找出最高优先级程序：
读入优先级表的第1个32位数；
不为零则直接使用CLZ指令；
Prio = 32；
读入优先级表的第2个32位数；
CLZ指令：
CNTLZW RD，RS；
RD += Prio；/*最高优先级*/
这样，很少几条指令，就完成了μC/OS中需要查表来完成的算法，不仅速度快，还省去了程序中256字节的那张常数表。上述实现方法并非唯一的，还可进一步优化。对于增强型32位PowerPC［6］，还有一条指令可对2个地址连续的32位数做并行操作，同时数出前导零的数目。此时若低32位不为0，则最高优先级者被立即找出；若为0，则取高32位中的优先级再加32即可。
其他32位机，如MIPS的处理器，也有同类指令。一些处理器还有与上述指令对称的“数出前置1的数目”指令。总之，在有类似CLZ指令的处理器上，直接移植和使用μC/OSII的任务调度算法并不合理。移植后需要摒弃μC/OSII中的软件算法，代之以硬件指令算法指令，实现RTOS任务调度算法的优化。
早期的ARM系列处理器并不支持CLZ指令，但从ARM Cortex 开始，或者说ARM v5及以后的ARM类CPU，如CortexA8、CortexM3等，开始支持CLZ指令。因此对于Cortex单片机，也没有必要套用μC/OS算法，这类处理器可运行μC/OSIII［7］。μC/OSIII是在μC/OSII的基础上发展起来的商业产品，目前还只能在ST的ARM Cortex 32位微控制器上实现。Cortex有RTOS硬件算法指令，不再需要使用μC/OS的查表算法。μC/OSIII还增加了同优先级任务的时间片轮转调度法等很多新功能，已经是一个全新的RTOS商业产品了，不再是μC/OSII的升级版。由于目前μC/OSIII产品单一且源码不再开放，以及价格方面等原因，我们还无法预见其未来。因此，深入研究和讨论μC/OSII的移植和优化是很有意义的。
除了上面提到的几种处理器，还有一些16位处理器也支持CLZ这样的RTOS运算指令。在这类处理器上强行移植和直接使用μC/OSII也会有弄巧成拙的感觉。
以16位的MC9S12XE系列和XF系列单片机为例，片内有2个CPU，一个是传统的CISC类型的CPU S12，另外一个是名为XGate的RISC类型CPU，XGate中有一条类似指令BFFO （Bit Field Find First ONe）指令格式为：
BFFORD,RS
意为找出第一个1，和数出前导零的数目其实是一回事。目标寄存器RD中得到源寄存器RS中16位数的第一个1的位置，如果RS中为全零，则C标志置位。在XGate处理器上，特别是使用 v2内核的处理器，可以利用BFFO指令优化μC/OSII任务调度算法。且对于μC/OSII的改进并不限于用BFFO指令替代查表算法，还可以尝试将RTOS和其管理的任务分别加载到2个CPU上。内核和任务调度在RISC类型的XGate上运行，被管理的任务放到CISC类型的S12 处理器上运行；XGate v1CPU虽然有BFFO指令，由于中断无法嵌套，无法完整地运行XGate，但至少可以将XGateII中的时钟节拍函数放到XGate上运行［8］。具有硬件优先级算法指令的处理器，以及多内核单片机，为μC/OSII的改进和性能优化开拓了丰富的想象空间。在决定移植和使用μC/OSII之前，应该仔细研究一下拟用处理器的指令集，切莫盲目移植了事。
3 移植和优化中还应思考的问题
因为越来越多的RISC类型处理器有了能用于RTOS任务调度算法的硬件指令，μC/OSII调度算法可以用硬件指令迅速完成，而不必依赖原来的软件查表算法，大大简化了程序，提高了运算速度。但由于RISC类型的处理器，没有直接对存储器操作的指令，所有操作都只能通过CPU内部寄存器完成，不能如同8位处理器那样直接对存储器做位操作，这类RISC类型处理器中有很多内部寄存器，可以设一些寄存器变量类型的指针来操作。如何用好寄存器变量，是要仔细研究的。
RISC类型的CPU一般没有让存储器的某一位置位或把存储器的某一位清零的指令。往往需要先读存储器到CPU寄存器，再使用“与”、“或”等指令让寄存器某一位复位或置位，再写回到存储器。这一连串的操作可能需要保护，防止其间被中断。可以想象，若移植μC/OSII，在填写任务就绪表的时候，操作并不简单，要考虑全面，避免任何疏漏和隐患。另外还有编译器方面的问题。我们看到，上述讨论中涉及了不少汇编指令，如同cntlz，在C语言中是无法直接表达的，编译器对这样的汇编指令能支持到什么程度，是用户要细心研究的。现在，越来越聪明的编译器能将我们写的C程序按照执行速度或代码长度等用户定义的条件进行优化，能优化到什么程度？什么条件下能把类似cntlz这样的指令优化进去？这些都是要研究的。
对于中高端的处理器，一般都有系统态模式和用户态模式（有的CPU称之为保护模式），过去看到的很多移植**都对此不予理会，让CPU完全工作在系统态。如果让RTOS内核工作在系统态，任务工作在用户态，有助于提高系统安全性。这类讨论也是过去那些关于μC/OSII移植的**中极少见到的。
4 小结
μC/OSII是在中国嵌入式系统应用中很有影响力的RTOS内核，已经被移植到几乎所有能想到的处理器上。其技术亮点体现在优先级调度算法上。由于当初是为8位处理器写的，对于8位处理器和多数16位处理器，运行μC/OSII是很不错的选择。处理器硬件技术的不断发展，为RTOS任务调度算法的实现方法开拓了广阔的想像空间。一些原来需要软件实现的算法可以硬件化。典型地，对于32/64位和部分高端16位处理器，有可用于RTOS优先级算法的硬件指令，例如文中提到的PowerPC、MIPS、ARM Cortex和XGate等，直接移植μC/OSII代码，套用其调度算法实际上很不合理。使用CLZ或BFFO等硬件指令替代μC/OSII中的软件算法，可大 14
大简化μC/OSII代码并优化RTOS性能。本文提到的方法也决非唯一。技术在发展，对于μC/OSII，千万不要移植了事，尽管已经讨论了十来年，仍然需要静下心来学习并做些深入细致的研究，希望今后能够看到更多深入探讨μC/OSII优化的**。 |
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