嵌入式|RTOS教学——FreeRTOS基础2：任务调度

在实时操作系统（RTOS，如 FreeRTOS、RT-Thread 等）中，任务调度（Task Scheduling） 是内核的核心功能，负责按照一定规则在多个任务之间分配 CPU 执行时间，确保系统高效、有序地运行，同时满足实时性要求（即关键任务能在规定时间内完成）。

简单来说，任务调度就像一个 “CPU 管理员”：系统中可能有多个任务（如传感器采集、数据处理、显示刷新等）等待执行，但 CPU 同一时间只能运行一个任务，调度器的作用就是决定 “下一个该让哪个任务占用 CPU”，以及 “什么时候切换任务”。

一、任务调度的核心目标

任务调度的设计围绕以下核心目标展开，尤其在实时系统中至关重要：

1. 实时性：确保高优先级的任务（如紧急事件处理）能优先获得 CPU 资源，在规定的 “截止时间” 内完成（例如：火灾报警任务必须在 10ms 内响应）。
2. 公平性：在保证实时性的前提下，让低优先级任务也能获得执行机会（避免 “饿死”）。
3. 高效性：任务切换的时间开销要尽可能小（通常是微秒级），避免占用过多 CPU 资源。
4. 可预测性：调度行为必须是确定的（相同条件下，调度结果一致），便于开发者评估系统性能。

二、任务调度的基本概念

理解任务调度前，需先明确几个关键概念：

1. 任务状态

任务在生命周期中会处于不同状态，调度器通过状态管理决定任务是否有资格获得 CPU：

• 运行态（Running）：当前正在占用 CPU 执行的任务（系统中同一时间只能有一个运行态任务）。
• 就绪态（Ready）：任务已准备好执行，只需获得 CPU 即可运行（因优先级低于当前运行任务，暂时等待）。
• 阻塞态（Blocked）：任务因等待某个事件（如延时结束、信号量释放、队列有数据）而暂停，此时不会参与 CPU 竞争（即使优先级高也不会运行）。
• 挂起态（Suspended）：任务被强制暂停（需通过特定接口唤醒），与阻塞态的区别是：挂起态不会因事件触发而自动恢复，必须显式解除挂起。

调度器的核心工作之一，就是维护这些状态的转换（如：延时结束后，任务从阻塞态转为就绪态）。

2. 任务优先级

每个任务都有一个优先级（通常是 0~31 的整数，数值越大优先级越高），是调度器决定执行顺序的核心依据。
例如：FreeRTOS 中，优先级 5 的任务会优先于优先级 3 的任务获得 CPU；若两个任务优先级相同，则按 “时间片轮转” 方式交替执行。

三、常见的调度算法（调度规则）

不同 RTOS 采用的调度算法不同，核心是 “如何从就绪态任务中选择下一个运行的任务”。以下是最常用的 3 种算法：

1. 抢占式调度（Preemptive Scheduling）（主要！）

核心规则：高优先级任务会抢占低优先级任务的 CPU 使用权。只有当高优先级任务阻塞（如调用vTaskDelay()、等待信号量等）或结束时，低优先级任务才能获得运行机会。

• 例：任务 A（优先级 2，运行中）正在处理数据，此时任务 B（优先级 3）从阻塞态转为就绪态，调度器会立即暂停任务 A，切换到任务 B 执行。
• 优势：保证高优先级任务的实时性（响应快），是实时系统的主流选择（FreeRTOS、RT-Thread 默认支持）。

2. 协作式调度（Cooperative Scheduling）（很少用）

核心规则：任务必须主动 “让出” CPU（如调用延时函数、等待事件），低优先级任务才有可能执行；高优先级任务即使就绪，也不能打断低优先级任务。

• 例：任务 A（优先级 2，运行中）若不主动让出 CPU，任务 B（优先级 3，就绪态）会一直等待，直到任务 A 调用 vTaskDelay() 后才获得执行机会。
• 劣势：实时性差（高优先级任务可能因低优先级任务 “霸占” CPU 而延迟），仅用于简单场景（如早期嵌入式系统）。

3. 时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling）（主要！）

核心规则：FreeRTOS 会采用时间片轮询策略。每个任务会被分配一个固定的时间片（由configTICK_RATE_HZ配置，通常为 1ms~10ms），任务运行完一个时间片后会主动让出 CPU，切换到下一个同优先级任务。

• 例：任务 A 和任务 B 优先级均为 1，时间片设为 1ms：任务 A 执行 1ms 后，调度器切换到任务 B 执行 1ms，如此循环，交替执行。
• 适用场景：处理优先级相同的任务，保证公平性（避免某一任务长期占用 CPU）。

FreeRTOS的调度策略就是优先级抢占 + 时间片轮转结合的方式，当任务优先级相同时使用时间片轮转，任务优先级不同时使用抢占式调度。

四、任务切换的底层原理

当调度器决定切换任务时（如高优先级任务就绪、当前任务进入阻塞态），会触发 “任务切换” 操作，底层流程可简化为 3 步：

1. 保存上下文（Context Save）：
   将当前运行任务的 CPU 寄存器（如程序计数器 PC、栈指针 SP、通用寄存器 R0-R15 等）的值保存到该任务的栈空间中（每个任务有独立的栈），记录任务当前的执行位置和状态。

2. 切换任务控制块（TCB）：
   调度器从 “就绪列表” 中选出下一个要运行的任务（按优先级或时间片规则），将内核的 “当前任务指针” 指向新任务的任务控制块（TCB）——TCB 是存储任务信息的结构体（包含栈指针、优先级、状态等）。

3. 恢复上下文（Context Restore）：
   从新任务的栈空间中读取之前保存的寄存器值，恢复到 CPU 中，新任务从上次暂停的位置继续执行。

关键：任务切换依赖 CPU 的异常机制（如 ARM Cortex-M 内核的 PendSV 异常），这是一种低优先级异常，确保任务切换不会打断高优先级中断（如定时器、外部中断），保证系统稳定性。

五、FreeRTOS 中的调度器配置与启动

以 FreeRTOS 为例，任务调度的核心操作如下：

     1. 配置调度器：在 FreeRTOSConfig.h 中通过宏定义配置调度算法：

#define configUSE_PREEMPTION        1  // 1=启用抢占式调度，0=协作式
#define configUSE_TIME_SLICING      1  // 1=启用相同优先级任务的时间片轮转
#define configTICK_RATE_HZ          1000  // 系统时钟节拍（1ms 一次，用于计时和调度）

     2. 启动调度器：所有任务创建完成后，调用 vTaskStartScheduler() 启动调度器，此后 CPU 由调度器管理：

int main(void)
{// 初始化硬件（GPIO、串口等）MX_GPIO_Init();MX_USART1_UART_Init();// 创建任务xTaskCreate(Task1, "Task1", 128, NULL, 1, NULL);xTaskCreate(Task2, "Task2", 128, NULL, 2, NULL);// 启动调度器（从此处开始，任务开始运行，main 函数不再执行）vTaskStartScheduler();// 若调度器启动失败（如内存不足），才会执行到这里while(1);
}

六、总结

任务调度是 RTOS 的 “心脏”，其核心价值在于：在单 CPU 环境下，通过合理的调度算法，让多个任务 “看似同时运行”，并保证关键任务的实时性。

理解任务调度的关键是：

• 任务状态如何转换（运行→就绪→阻塞）；
• 调度算法如何选择下一个任务（抢占式、时间片轮转）；
• 任务切换的底层机制（上下文保存与恢复）。