【操作系统】一篇搞懂任务调度（十分详细）

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前言：本篇博客的主要介绍实时性系统的任务调度，以FreeRTOS为例子，讲解任务调度的方式与原理。

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🧠 嵌入式系统中的任务调度机制详解

在嵌入式实时操作系统（RTOS）中，任务调度是核心功能之一。它决定了系统如何分配 CPU 时间给不同的任务，以实现多任务并发执行和实时响应。理解任务调度机制对于开发高效、稳定的嵌入式应用至关重要。

本文将从任务状态、调度策略、调度器类型以及 FreeRTOS 中的具体实现等方面进行详细讲解。

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一、什么是任务调度？

任务调度（Task Scheduling） 是操作系统根据一定的规则，决定哪个任务获得 CPU 使用权的过程。

在单核处理器中，CPU 同一时间只能运行一个任务，但通过快速切换任务上下文，实现了“并发”的假象。调度器负责这种切换。

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二、任务的状态

RTOS 中的任务通常有以下几种状态：

状态	描述
就绪态（Ready）	任务具备运行条件，等待被调度器选中
运行态（Running）	当前正在使用 CPU 的任务
阻塞态（Blocked）	等待某个事件（如信号量、队列、定时器）发生
挂起态（Suspended）	被显式挂起，不参与调度
删除态（Deleted）	已被删除，不再存在

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三、调度策略

常见的调度策略包括：

1. 优先级调度（Priority-based Scheduling）

• 每个任务有一个优先级。
• 调度器总是选择就绪队列中优先级最高的任务运行。
• 支持抢占（Preemption）：高优先级任务可以打断低优先级任务。

✅ 优点：实时性强
❗ 缺点：可能导致低优先级任务饥饿

2. 时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling）

• 相同优先级的任务轮流运行，每个任务分配一个固定的时间片（Time Slice）。
• 时间片用完后，任务让出 CPU，下一个同优先级任务运行。

✅ 优点：公平性好
❗ 缺点：实时性较弱

3. 混合调度（Hybrid Scheduling）

• 结合优先级与时间片轮转。
• 高优先级任务优先运行，同优先级任务采用轮转方式。

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四、调度器类型

1. 可剥夺型调度器（Preemptive Scheduler）

• 当更高优先级任务变为就绪态时，当前任务会被中断并切换到高优先级任务。
• 实时性更强，适合对响应时间要求高的系统。

2. 不可剥夺型调度器（Cooperative Scheduler）

• 任务主动放弃 CPU（如调用 taskYIELD()）才会切换。
• 更节省资源，但实时性较差。

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五、FreeRTOS 中的任务调度机制

FreeRTOS 是目前最流行的开源 RTOS 之一，其任务调度机制具有代表性和实用性。

1. 优先级管理

• FreeRTOS 支持最多 32 个优先级（0 最低，数值越大优先级越高）。
• 用户可通过 configMAX_PRIORITIES 定义最大支持的优先级数量。

2. 抢占式调度

• 默认启用抢占式调度（configUSE_PREEMPTION = 1）。
• 高优先级任务可以打断低优先级任务运行。

3. 时间片轮转

• 同优先级任务之间使用时间片轮转（默认每个 tick 切换一次）。
• 可通过 configUSE_TIME_SLICING 控制是否启用。

4. 调度触发时机

任务调度可能在以下情况发生：

触发原因	示例 API
任务阻塞	vTaskDelay(), xQueueReceive()
事件触发	xSemaphoreGiveFromISR(), xEventGroupSetBitsFromISR()
主动让出	taskYIELD()
创建/删除任务	xTaskCreate(), vTaskDelete()

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六、任务调度示例（FreeRTOS）

void vTask1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        printf("Task 1 is running\n");
        vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟100ms
    }
}

void vTask2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        printf("Task 2 is running\n");
        vTaskDelay(200 / portTICK_PERIOD_MS); // 延迟200ms
    }
}

int main(void) {
    xTaskCreate(vTask1, "Task1", 1000, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(vTask2, "Task2", 1000, NULL, 2, NULL); // Task2 优先级更高

    vTaskStartScheduler(); // 启动调度器

    for (;;); // 不应执行到这里
}

在这个例子中：

• Task2 优先级高于 Task1
• 所以只要 Task2 处于就绪状态，就会抢占 CPU

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七、优化任务调度的建议

建议	说明
合理设置优先级	避免优先级反转、资源竞争
减少任务阻塞时间	提高系统吞吐量
使用事件驱动机制	如信号量、队列、事件组等
控制任务数量	避免过多任务导致调度开销过大
适当使用空闲任务	在空闲时降低功耗或做后台处理

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八、结语

任务调度是嵌入式系统实现多任务并发和实时性的关键机制。掌握调度策略、理解不同调度器的工作原理，并结合实际项目合理配置任务优先级和行为，是构建高性能嵌入式系统的基础。

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