裸機系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度設(shè)計：基于時間片輪轉(zhuǎn)與優(yōu)先級搶占的混合調(diào)度器實現(xiàn)
引言
在嵌入式裸機系統(tǒng)開發(fā)中，多任務(wù)處理能力對于提升系統(tǒng)效率、實現(xiàn)復(fù)雜功能至關(guān)重要。然而，裸機系統(tǒng)沒有操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持，需要開發(fā)者自行設(shè)計任務(wù)調(diào)度機制。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度能保證各任務(wù)公平獲取CPU時間，而優(yōu)先級搶占調(diào)度則可讓高優(yōu)先級任務(wù)及時響應(yīng)。將兩者結(jié)合的混合調(diào)度器，能兼顧公平性與實時性，滿足多種應(yīng)用場景需求。
混合調(diào)度器設(shè)計原理
時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度
時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度為每個任務(wù)分配一個固定時間片，任務(wù)在獲得CPU使用權(quán)后運行，時間片用完則讓出CPU，進(jìn)入就緒隊列末尾等待下一次調(diào)度。這種方式確保了所有任務(wù)都能在一定時間內(nèi)獲得執(zhí)行機會，避免低優(yōu)先級任務(wù)長時間得不到響應(yīng)。
優(yōu)先級搶占調(diào)度
優(yōu)先級搶占調(diào)度根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，高優(yōu)先級任務(wù)可隨時搶占低優(yōu)先級任務(wù)的CPU使用權(quán)。當(dāng)有高優(yōu)先級任務(wù)就緒時，系統(tǒng)會立即切換到該任務(wù)執(zhí)行，以保證重要任務(wù)能及時處理。
混合調(diào)度策略
混合調(diào)度器結(jié)合了上述兩種調(diào)度方式。任務(wù)按優(yōu)先級分組，同一優(yōu)先級內(nèi)的任務(wù)采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，不同優(yōu)先級間采用優(yōu)先級搶占調(diào)度。這樣既保證了高優(yōu)先級任務(wù)的實時性，又保證了低優(yōu)先級任務(wù)能獲得公平的執(zhí)行機會。
混合調(diào)度器實現(xiàn)
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義
c
#define MAX_TASKS 10
#define MAX_PRIORITY 5
typedef struct {
void (*task_func)(void); // 任務(wù)函數(shù)指針
unsigned int priority; // 任務(wù)優(yōu)先級
unsigned int time_slice; // 時間片大小
unsigned int remaining_time; // 剩余時間片
unsigned char state; // 任務(wù)狀態(tài)（就緒、運行、阻塞等）
} Task;
Task task_list[MAX_TASKS]; // 任務(wù)列表
unsigned char task_count = 0; // 當(dāng)前任務(wù)數(shù)量
任務(wù)初始化與添加
c
void init_task(Task *task, void (*func)(void), unsigned int priority, unsigned int time_slice) {
task->task_func = func;
task->priority = priority;
task->time_slice = time_slice;
task->remaining_time = time_slice;
task->state = 0; // 0表示就緒狀態(tài)
}
void add_task(void (*func)(void), unsigned int priority, unsigned int time_slice) {
if (task_count < MAX_TASKS) {
init_task(&task_list[task_count], func, priority, time_slice);
task_count++;
}
}
調(diào)度器實現(xiàn)
c
unsigned char current_task = 0; // 當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)索引
void scheduler() {
unsigned char i, highest_priority_task = 0;
unsigned char found = 0;
// 查找當(dāng)前最高優(yōu)先級就緒任務(wù)
for (i = 0; i < task_count; i++) {
if (task_list[i].state == 0) { // 就緒狀態(tài)
if (!found || task_list[i].priority < task_list[highest_priority_task].priority) {
highest_priority_task = i;
found = 1;
}
}
}
// 如果沒有更高優(yōu)先級任務(wù)就緒，且當(dāng)前任務(wù)時間片用完，則輪轉(zhuǎn)
if (found && (highest_priority_task == current_task || task_list[current_task].remaining_time == 0)) {
if (task_list[current_task].remaining_time == 0) {
task_list[current_task].remaining_time = task_list[current_task].time_slice; // 重置時間片
}
// 查找同一優(yōu)先級下一個任務(wù)
unsigned char next_task = (current_task + 1) % task_count;
while (next_task != current_task) {
if (task_list[next_task].state == 0 && task_list[next_task].priority == task_list[current_task].priority) {
task_list[current_task].state = 0; // 將當(dāng)前任務(wù)置為就緒
current_task = next_task;
task_list[current_task].state = 1; // 將新任務(wù)置為運行
break;
}
next_task = (next_task + 1) % task_count;
}
} else if (found && highest_priority_task != current_task) {
// 優(yōu)先級搶占，切換到更高優(yōu)先級任務(wù)
task_list[current_task].state = 0; // 將當(dāng)前任務(wù)置為就緒
current_task = highest_priority_task;
task_list[current_task].state = 1; // 將新任務(wù)置為運行
}
// 執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)
task_list[current_task].task_func();
task_list[current_task].remaining_time--; // 減少剩余時間片
}
測試與驗證
通過編寫幾個不同優(yōu)先級和執(zhí)行時間的任務(wù)函數(shù)，并調(diào)用add_task函數(shù)將它們添加到任務(wù)列表中，然后在一個循環(huán)中不斷調(diào)用scheduler函數(shù)，觀察各任務(wù)的執(zhí)行情況?？梢允褂么谳敵鋈蝿?wù)執(zhí)行信息，驗證混合調(diào)度器是否能正確實現(xiàn)時間片輪轉(zhuǎn)和優(yōu)先級搶占功能。
結(jié)論
基于時間片輪轉(zhuǎn)與優(yōu)先級搶占的混合調(diào)度器在裸機系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。它既能保證高優(yōu)先級任務(wù)的實時響應(yīng)，又能確保低優(yōu)先級任務(wù)獲得公平的執(zhí)行機會。通過合理設(shè)計任務(wù)優(yōu)先級和時間片大小，可以滿足不同嵌入式系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度需求，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。
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