📚 课程目录第2章任务与调度器

任务与调度器：任务控制块（TCB）、任务状态机与调度策略

各位同学，咱们今天聊点实在的。任务和调度器，说白了就是RTOS的“心脏”和“大脑”。你写的所有业务逻辑，最终都要变成一个个任务，交给调度器去管理。我刚开始用RTOS那会儿，总觉得任务就是“一个死循环里放点代码”，结果项目一复杂，各种优先级反转、死锁、任务饿死的问题全冒出来了。嗯，后来我才明白——不理解任务控制块和状态机，你写的RTOS代码就是“裸奔”。

2.1 任务控制块（TCB）——任务的“身份证”

每个任务在RTOS里都有一个专属的数据结构，叫任务控制块（Task Control Block，TCB）。你可以把它想象成任务的“身份证”加“档案袋”。调度器不关心你的任务函数里写了什么，它只认TCB。

一个典型的TCB长什么样？我直接给你看代码：

typedef struct tcb {
    uint32_t    *sp;            // 栈指针（核心！）
    uint8_t     priority;       // 任务优先级
    uint8_t     state;          // 当前状态
    uint32_t    stack_size;     // 栈大小
    uint32_t    *stack_base;    // 栈底地址
    void        (*entry)(void*);// 任务入口函数
    void        *arg;           // 入口参数
    uint32_t    delay_ticks;    // 延时计数（阻塞用）
    uint32_t    slice_remain;   // 时间片剩余计数
    struct tcb  *next;          // 链表指针
} tcb_t;

这里我重点说三个字段：

sp（栈指针）：这是TCB里最重要的东西。任务切换时，CPU的寄存器全部压栈，然后sp被保存到TCB里。下次切回来时，直接从TCB恢复sp，CPU就知道该从哪继续执行。我在一个项目里遇到过栈溢出导致sp乱飞，结果任务切回来直接跑飞——从那以后，我每个任务都至少留20%的栈余量。
state（状态）：任务当前处于哪个状态？就绪、运行、阻塞还是挂起？调度器只看这个字段做决策。
priority（优先级）：决定了谁先跑。后面会细讲。

我的习惯：TCB里我还会加一个task_name字符串指针，调试时直接打印任务名，比看地址方便一万倍。你想想看，出bug时能直接说“LED_Task卡住了”，而不是“0x200001F0那个任务挂了”，多省心。

2.2 任务状态机——就绪/运行/阻塞/挂起

一个任务在它的生命周期里，会在几个状态之间跳来跳去。我画了一张图，你看一眼就明白了：

这四个状态怎么理解？我拿生活中的例子给你讲：

就绪（Ready）：你排队等公交车。车来了（CPU空闲了），谁先上车？优先级高的先上。
运行（Running）：你上车了，正在坐车。CPU正在执行你的代码。
阻塞（Blocked）：你等红灯。任务在等某个事件（信号量、消息队列、延时到期）。事件没到，CPU不会理你。
挂起（Suspended）：你下车去便利店买水，车不等你。任务被主动暂停，必须由另一个任务调用恢复API才能继续。

我曾经踩过的坑：新手最容易把“阻塞”和“挂起”搞混。阻塞是任务自己主动等的（比如调了delay()），事件到了自动变就绪。挂起是别人把它“冻住”了，必须别人解冻。我在一个项目中用挂起做“任务暂停”，结果忘了恢复，那个任务就永远“消失”了——调试了两天才找到原因。

2.3 任务优先级与调度策略

调度策略，说白了就是“下一个该谁跑”的规则。RTOS里主流的有两种：抢占式调度和时间片轮转。我建议你先把这两种搞清楚，其他变种都是它们的组合。

2.3.1 抢占式调度（Preemptive Scheduling）

这是RTOS的“招牌功能”。规则很简单：高优先级任务一旦就绪，立即打断当前正在运行的低优先级任务。

你看这个例子：

// 任务A：优先级5，负责按键扫描
void task_A(void *arg) {
    while(1) {
        if (key_pressed()) {
            // 发送信号量给任务B
            sem_post(&sem);
        }
        delay(10);  // 阻塞10ms
    }
}

// 任务B：优先级10（更高），负责响应按键
void task_B(void *arg) {
    while(1) {
        sem_wait(&sem);  // 等信号量，阻塞
        // 处理按键事件
        handle_key_event();
    }
}

任务B优先级高，平时在等信号量（阻塞）。任务A检测到按键，发信号量——任务B立刻变就绪，调度器一看：B优先级比A高，直接抢！A被踢回就绪队列，B开始跑。等B处理完再次阻塞，A才能继续。

  核心优势：实时性有保障。高优先级任务响应延迟只取决于上下文切换时间，通常几微秒到几十微秒。这也是RTOS敢叫“实时”的原因。

2.3.2 时间片轮转（Round-Robin）

如果多个任务优先级相同怎么办？总不能让一个任务一直跑吧？时间片轮转就是解决这个问题的。

规则：同优先级任务轮流执行，每人分一个固定长度的时间片（比如10ms）。时间片用完，任务自动让位，换下一个同优先级任务跑。

特性	抢占式调度	时间片轮转
触发条件	高优先级任务就绪	时间片耗尽
适用场景	实时性要求高的任务	同优先级、CPU密集型任务
任务切换时机	任意时刻（可抢占）	时间片边界
优先级影响	高优先级绝对优先	仅在同优先级内生效

实际项目中，我一般这样用：

关键任务（如电机控制、通信协议栈）给高优先级，用抢占式。
非关键任务（如LED闪烁、日志输出）给低优先级，用时间片轮转。
空闲任务给最低优先级，CPU没事干时跑它——后面讲低功耗时会重点说这个。

我的建议：时间片别设太短。我见过有人设1ms，结果系统70%的时间都在做上下文切换，任务反而跑不动了。一般5-20ms比较合理，具体看你的任务切换开销。你可以用GPIO翻转+示波器量一下实际切换时间。

2.4 调度器核心流程——从TCB到任务切换

调度器到底怎么工作的？我简化一下流程，你感受一下：

触发调度：系统滴答定时器中断、任务主动让出CPU（如调用delay()）、或者高优先级任务就绪。
保存现场：当前任务的CPU寄存器全部压入它的栈，然后把栈指针sp保存到TCB里。
选下一个任务：遍历就绪队列，找优先级最高的那个。如果同优先级有多个，按时间片规则选。
恢复现场：从选中任务的TCB里取出sp，然后从栈里弹出所有寄存器。
执行新任务：CPU跳转到新任务的断点处继续执行。

整个过程，从触发到新任务开始跑，通常只需要几十条汇编指令。我优化过一个调度器，把切换时间压到了3微秒以内——嗯，那是在一个72MHz的Cortex-M3上。

注意：调度器本身也是代码，它执行的时候算“系统时间”，不算在任何任务头上。所以调度器里别干耗时的事，比如打印日志、做复杂计算。我曾经见过有人在调度器里调printf()，结果任务切换一次要几百微秒——整个系统的实时性直接崩了。

好了，任务和调度器的核心概念就这些。TCB是基础，状态机是行为规则，调度策略是决策逻辑。这三样东西搞明白了，RTOS的“骨架”你就搭起来了。下一块内容，我们会把这些东西串起来，看看事件驱动机制怎么让任务之间高效通信——嗯，那是另一个有意思的话题了。