4. 任务优先级与调度策略：优先级定义、抢占式调度、时间片轮转调度、协作式调度

任务调度是 RTOS 的核心职能，决定了哪个任务在何时获得 CPU 使用权。本章深入剖析优先级的定义方法以及三种经典调度策略：抢占式调度、时间片轮转调度和协作式调度。理解这些机制是设计高实时性嵌入式系统的基石。

4.1 任务优先级定义

优先级是调度器判断任务紧急程度和重要性的数值依据。在 RTOS 中，每个任务在创建时都被赋予一个优先级，数值越小（或越大，取决于具体实现）表示优先级越高。

4.1.1 优先级数值与方向

4.1.2 优先级分配原则

• 硬实时任务：如电机控制、刹车系统，分配最高优先级。
• 软实时任务：如音频播放、传感器数据采集，分配中等优先级。
• 后台任务：如日志记录、自检程序，分配最低优先级。
• 空闲任务：系统默认的最低优先级任务，仅在无其他任务就绪时运行。

4.2 抢占式调度

抢占式调度是 RTOS 最常用的策略。调度器可以在任意时刻中断当前正在运行的任务，并将 CPU 分配给另一个优先级更高的就绪任务。这种机制保证了高优先级任务的实时响应。

4.2.1 抢占触发条件

1. 任务创建：新创建的任务优先级高于当前运行任务。
2. 任务唤醒：等待事件的任务被唤醒，且其优先级高于当前任务。
3. 任务优先级变更：当前运行任务的优先级被降低，或另一个任务的优先级被提升。
4. 中断退出：中断服务程序退出后，调度器检查是否有更高优先级的任务就绪。

4.2.2 抢占式调度流程图

4.2.3 抢占式调度代码示例

/* FreeRTOS 抢占式调度示例 */
void vHighPriorityTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        /* 高优先级任务执行关键操作 */
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));  /* 阻塞等待，让低优先级任务运行 */
    }
}

void vLowPriorityTask(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        /* 低优先级任务执行后台操作 */
        /* 当高优先级任务就绪时，此任务会被立即抢占 */
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));
    }
}

void main(void) {
    xTaskCreate(vHighPriorityTask, "High", 256, NULL, 3, NULL);  /* 优先级 3 */
    xTaskCreate(vLowPriorityTask,  "Low",  256, NULL, 1, NULL);  /* 优先级 1 */
    vTaskStartScheduler();
}

4.3 时间片轮转调度

时间片轮转调度用于同优先级任务之间的 CPU 时间分配。每个任务被分配一个固定的时间片（Time Slice），当任务用完其时间片后，调度器将 CPU 切换给下一个同优先级的就绪任务。

4.3.1 时间片轮转调度机制

• 时间片长度：通常由系统 Tick 中断周期决定，例如 1ms 或 10ms。
• 任务切换点：任务用完时间片、任务主动阻塞、任务被更高优先级任务抢占。
• 公平性：确保同优先级任务获得大致相等的 CPU 时间。

4.3.2 时间片轮转调度示意图

4.3.3 时间片轮转配置示例

/* FreeRTOS 时间片轮转配置 */
/* 在 FreeRTOSConfig.h 中配置 */
#define configUSE_TIME_SLICING      1   /* 启用时间片轮转 */
#define configTICK_RATE_HZ         1000 /* 系统 Tick 频率 1000Hz，时间片为 1ms */

/* 创建同优先级任务，它们将自动进行时间片轮转 */
void main(void) {
    xTaskCreate(vTaskA, "TaskA", 256, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(vTaskB, "TaskB", 256, NULL, 2, NULL);
    xTaskCreate(vTaskC, "TaskC", 256, NULL, 2, NULL);
    vTaskStartScheduler();
}

4.4 协作式调度

协作式调度（Cooperative Scheduling）是一种非抢占的调度策略。任务必须主动释放 CPU 控制权，调度器才能切换到其他任务。这种策略避免了复杂的临界区保护问题，但要求每个任务不能长时间占用 CPU。

4.4.1 协作式调度特点

4.4.2 协作式调度流程图

4.4.3 协作式调度代码示例

/* FreeRTOS 协作式调度配置 */
/* 在 FreeRTOSConfig.h 中配置 */
#define configUSE_PREEMPTION        0   /* 禁用抢占式调度 */
#define configUSE_TIME_SLICING      0   /* 禁用时间片轮转 */

/* 任务必须主动让出 CPU */
void vTaskA(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        /* 执行任务 A 的工作 */
        processSensorData();
        /* 主动让出 CPU，切换到下一个任务 */
        taskYIELD();
    }
}

void vTaskB(void *pvParameters) {
    for (;;) {
        /* 执行任务 B 的工作 */
        updateDisplay();
        /* 也可以使用阻塞函数让出 CPU */
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

4.5 三种调度策略对比总结

4.6 调度策略选择指南

• 硬实时系统：必须使用抢占式调度，确保关键任务在 deadline 前完成。
• 同优先级任务较多：结合时间片轮转，避免某个任务长时间独占 CPU。
• 资源极度受限：考虑协作式调度，减少上下文切换开销和内存占用。
• 混合策略：大多数 RTOS 支持同时启用抢占式调度和时间片轮转，高优先级任务抢占，同优先级任务轮转。