裸機系統(tǒng)多任務調度設計：基于時間片輪轉與優(yōu)先級搶占的混合調度器實現(xiàn)
引言
在嵌入式裸機系統(tǒng)開發(fā)中，多任務處理能力對于提升系統(tǒng)效率、實現(xiàn)復雜功能至關重要。然而，裸機系統(tǒng)沒有操作系統(tǒng)內核的支持，需要開發(fā)者自行設計任務調度機制。時間片輪轉調度能保證各任務公平獲取CPU時間，而優(yōu)先級搶占調度則可讓高優(yōu)先級任務及時響應。將兩者結合的混合調度器，能兼顧公平性與實時性，滿足多種應用場景需求。
混合調度器設計原理
時間片輪轉調度
時間片輪轉調度為每個任務分配一個固定時間片，任務在獲得CPU使用權后運行，時間片用完則讓出CPU，進入就緒隊列末尾等待下一次調度。這種方式確保了所有任務都能在一定時間內獲得執(zhí)行機會，避免低優(yōu)先級任務長時間得不到響應。
優(yōu)先級搶占調度
優(yōu)先級搶占調度根據(jù)任務優(yōu)先級進行調度，高優(yōu)先級任務可隨時搶占低優(yōu)先級任務的CPU使用權。當有高優(yōu)先級任務就緒時，系統(tǒng)會立即切換到該任務執(zhí)行，以保證重要任務能及時處理。
混合調度策略
混合調度器結合了上述兩種調度方式。任務按優(yōu)先級分組，同一優(yōu)先級內的任務采用時間片輪轉調度，不同優(yōu)先級間采用優(yōu)先級搶占調度。這樣既保證了高優(yōu)先級任務的實時性，又保證了低優(yōu)先級任務能獲得公平的執(zhí)行機會。
混合調度器實現(xiàn)
數(shù)據(jù)結構定義
c
#define MAX_TASKS 10
#define MAX_PRIORITY 5
typedef struct {
void (*task_func)(void); // 任務函數(shù)指針
unsigned int priority; // 任務優(yōu)先級
unsigned int time_slice; // 時間片大小
unsigned int remaining_time; // 剩余時間片
unsigned char state; // 任務狀態(tài)（就緒、運行、阻塞等）
} Task;
Task task_list[MAX_TASKS]; // 任務列表
unsigned char task_count = 0; // 當前任務數(shù)量
任務初始化與添加
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++;
}
}
調度器實現(xiàn)
c
unsigned char current_task = 0; // 當前執(zhí)行的任務索引
void scheduler() {
unsigned char i, highest_priority_task = 0;
unsigned char found = 0;
// 查找當前最高優(yōu)先級就緒任務
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)先級任務就緒，且當前任務時間片用完，則輪轉
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
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; // 將當前任務置為就緒
current_task = next_task;
task_list[current_task].state = 1; // 將新任務置為運行
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
task_list[current_task].state = 0; // 將當前任務置為就緒
current_task = highest_priority_task;
task_list[current_task].state = 1; // 將新任務置為運行
}
// 執(zhí)行當前任務
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)行時間的任務函數(shù)，并調用add_task函數(shù)將它們添加到任務列表中，然后在一個循環(huán)中不斷調用scheduler函數(shù)，觀察各任務的執(zhí)行情況?？梢允褂么谳敵鋈蝿請?zhí)行信息，驗證混合調度器是否能正確實現(xiàn)時間片輪轉和優(yōu)先級搶占功能。
結論
基于時間片輪轉與優(yōu)先級搶占的混合調度器在裸機系統(tǒng)中具有良好的應用前景。它既能保證高優(yōu)先級任務的實時響應，又能確保低優(yōu)先級任務獲得公平的執(zhí)行機會。通過合理設計任務優(yōu)先級和時間片大小，可以滿足不同嵌入式系統(tǒng)的多任務調度需求，提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。
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