【操作系统】一篇搞懂任务调度（十分详细）_操作系统任务调度-优快云博客

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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。

🧠 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。

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。

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

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。

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。

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()`

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

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