[发明专利]优先级位图算法的一种空间优化方法

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式系统应用，尤其是实时调度算法技术领域。 

背景技术

优先级位图算法(PBA-Priority Bitmap Algorithm)是嵌入式操作系统中支持多优先级、多任务的关键算法，其核心思想是“空间换取时间”，即以增加存储空间的代价来换取高效、稳定的调度。PBA的特点在于：对于确定的优先级规模，PBA算法耗时是定值，即与就绪队列中的任务数无关，这就使得PBA能够保证在确定的时间内完成对最高优先级任务的查找过程，避免了对实时任务响应时间的不确定性。PBA的缺点是空间复杂度过高，这使得扩展PBA使其支持更多优先级时需要极高的代价，极端情况下甚至是无法实现的。 

中的PBA最多支持64个具有不同优先级的任务， 0为最高优先级，63为最低优先级。 

(1)：PBA所需数据结构 

优先级就绪组(OSRdyGrp)：8bit (如图1所示)

优先级就绪表(OSRdyTbl)：64bit(如图1所示)

优先级映射表(OSMapTbl)：8Byte(如图2所示)

优先级判定表(OSUnMapTbl)：256Byte(如图3所示)。 

值得说明的是对于确定的优先级规模，图2中的优先级映射表OSMapTbl和图3中的优先级判定表OSUnMapTbl都是大小和内容固定的表格。实践中它们都是存储在存储器中的固定数据。 

(2)：PBA的工作原理 

不至于引起混淆的情况下，新到达和执行完毕的任务优先级均记为p，获取进入就绪状态的最高优先级记为hp，C语言描述的PBA工作过程如下：

A：当任务进入就绪状态：

OSRdyGrp|=OSMapTbl[p>>3]；

OSRdyTbl[p>>3]|=OSMapTbl[p&0x07]；

B：当任务退出就绪状态：

if((OSRdyTbl[p>>3]&=~OSMapTbl[p&0x07])==0)

OSRdyGrp&=~OSMapTbl[p>>3]；

C：获取进入就绪态的最高优先级

high3Bit=OSUnMapTbl[OSRdyGrp]；

low3Bit=OSUnMapTbl[OSRdyTbl[high3Bit]]；

hp=(high3Bit<<3)+low3Bit；

由PBA的工作原理可知，对于确定的优先级规模，PBA只需极少且次数固定的存储器访问操作和位运算操作，算法耗时与就绪队列中的任务数无关。这一特性是PBA的最大优点，即无论就绪队列中的任务数有多少，PBA都能在一个固定时间内以极快的速度找到具有最高优先级的任务。

为方便下文描述，特作以下说明： 

从优先级判定表OSUnMapTbl中分别读取high3Bit和low3Bit的操作简记为“查表操作”。

由于优先级判定表OSUnMapTbl决定了PBA的空间复杂度，故本文对PBA的空间复杂度和OSUnMapTbl的空间复杂度不做区分。 

在实践中，若的结果不是整数，则对其向上取整即可。 

(3)：PBA的空间复杂度与PBA的扩展困局 

若PBA支持的优先级数为2^N，OSRdyGrp用u个bit表示，OSRdyTbl的每行用v个bit表示，则必有u×v=2^N。取n=max{u,v}，则OSUnMapTbl需要2ⁿ个Byte的存储空间。故可记PBA的空间复杂度为O(2ⁿ)。考虑将PBA支持的优先级数扩展到256(16×16)个，则当u=v=16时，OSUnMapTbl所需存储空间最少，为64KByte(2¹⁶Byte)。若将PBA支持的优先级数扩展到1024(32×32)个，则当u=v=32时，OSUnMapTbl所需存储空间最少，为4GByte(2³²Byte)。

在嵌入式设备的应用环境中，设备体积、存储器容量、能耗等因素均无法满足这种巨量的存储器开销，然而在智能家居系统、普适计算环境、宇航应用、现代武器系统等环境中往往需要实时处理大量优先级不等的就绪任务，因此如何有效降低PBA的空间复杂度就成为一个极具实践意义的课题。 

(4)：现有解决方案