裸机系统多任务调度设计：基于时间片轮转与优先级抢占的混合调度器实现

引言

在嵌入式裸机系统开发中，多任务处理能力对于提升系统效率、实现复杂功能至关重要。然而，裸机系统没有操作系统内核的支持，需要开发者自行设计任务调度机制。时间片轮转调度能保证各任务公平获取CPU时间，而优先级抢占调度则可让高优先级任务及时响应。将两者结合的混合调度器，能兼顾公平性与实时性，满足多种应用场景需求。

混合调度器设计原理

时间片轮转调度

时间片轮转调度为每个任务分配一个固定时间片，任务在获得CPU使用权后运行，时间片用完则让出CPU，进入就绪队列末尾等待下一次调度。这种方式确保了所有任务都能在一定时间内获得执行机会，避免低优先级任务长时间得不到响应。

优先级抢占调度

优先级抢占调度根据任务优先级进行调度，高优先级任务可随时抢占低优先级任务的CPU使用权。当有高优先级任务就绪时，系统会立即切换到该任务执行，以保证重要任务能及时处理。

混合调度策略

混合调度器结合了上述两种调度方式。任务按优先级分组，同一优先级内的任务采用时间片轮转调度，不同优先级间采用优先级抢占调度。这样既保证了高优先级任务的实时性，又保证了低优先级任务能获得公平的执行机会。

混合调度器实现

数据结构定义

c

#define MAX_TASKS 10

#define MAX_PRIORITY 5

typedef struct {

   void (*task_func)(void); // 任务函数指针

   unsigned int priority;   // 任务优先级

   unsigned int time_slice; // 时间片大小

   unsigned int remaining_time; // 剩余时间片

   unsigned char state;     // 任务状态（就绪、运行、阻塞等）

} Task;

Task task_list[MAX_TASKS]; // 任务列表

unsigned char task_count = 0; // 当前任务数量

任务初始化与添加

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表示就绪状态

}

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++;

   }

}

调度器实现

c

unsigned char current_task = 0; // 当前执行的任务索引

void scheduler() {

   unsigned char i, highest_priority_task = 0;

   unsigned char found = 0;

   // 查找当前最高优先级就绪任务

   for (i = 0; i < task_count; i++) {

       if (task_list[i].state == 0) { // 就绪状态

           if (!found || task_list[i].priority < task_list[highest_priority_task].priority) {

               highest_priority_task = i;

               found = 1;

           }

       }

   }

   // 如果没有更高优先级任务就绪，且当前任务时间片用完，则轮转

   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; // 重置时间片

       }

       // 查找同一优先级下一个任务

       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; // 将当前任务置为就绪

               current_task = next_task;

               task_list[current_task].state = 1; // 将新任务置为运行

               break;

           }

           next_task = (next_task + 1) % task_count;

       }

   } else if (found && highest_priority_task != current_task) {

       // 优先级抢占，切换到更高优先级任务

       task_list[current_task].state = 0; // 将当前任务置为就绪

       current_task = highest_priority_task;

       task_list[current_task].state = 1; // 将新任务置为运行

   }

   // 执行当前任务

   task_list[current_task].task_func();

   task_list[current_task].remaining_time--; // 减少剩余时间片

}

测试与验证

通过编写几个不同优先级和执行时间的任务函数，并调用add_task函数将它们添加到任务列表中，然后在一个循环中不断调用scheduler函数，观察各任务的执行情况。可以使用串口输出任务执行信息，验证混合调度器是否能正确实现时间片轮转和优先级抢占功能。

结论

基于时间片轮转与优先级抢占的混合调度器在裸机系统中具有良好的应用前景。它既能保证高优先级任务的实时响应，又能确保低优先级任务获得公平的执行机会。通过合理设计任务优先级和时间片大小，可以满足不同嵌入式系统的多任务调度需求，提高系统的整体性能和可靠性。