任务调度—抢占式，时间片和合作式

将介绍 FreeRTOS 操作系统支持的任务调度方式：抢占式，时间片和合作式

1 关于合作式调度器的特别说明 

        合作式调度主要用在资源有限的设备上面，现在已经很少使用了。出于这个原因，后面的 FreeRTOS 版本中不会将合作式调度删除掉，但也不会再进行升级了。

2 FreeRTOS 支持的调度方式 

    FreeRTOS 操作系统支持三种调度方式：抢占式调度，时间片调度和合作式调度。实际应用主要是抢占式调度和时间片调度，合作式调度用到的很少。

◆ 抢占式调度 

    每个任务都有不同的优先级，任务会一直运行直到被高优先级任务抢占或者遇到阻塞式的 API 函数， 比如 vTaskDelay。

◆ 时间片调度 

    每个任务都有相同的优先级，任务会运行固定的时间片个数或者遇到阻塞式的 API 函数，比如 vTaskDelay，才会执行同优先级任务之间的任务切换。

3 什么是调度器 

调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的任务

    ◆ 调度器可以区分就绪态任务和挂起任务（由于延迟，信号量等待，邮箱等待，事件组等待等原因而使得任务被挂起）。

    ◆ 调度器可以选择就绪态中的一个任务，然后激活它（通过执行这个任务）。当前正在执行的任务是运行态的任务。 

    ◆ 不同调度器之间最大的区别就是如何分配就绪态任务间的完成时间。

    嵌入式实时操作系统的核心就是调度器和任务切换，调度器的核心就是调度算法。任务切换的实现在 不同的嵌入式实时操作系统中区别不大，基本相同的硬件内核架构，任务切换也是相似的。调度算法就有些区别了。下面我们主要了解一下抢占式调度器和时间片调度器。

4 抢占式调度器 

抢占式：每个任务都被分配了不同的优先级，抢占式调度器会获得就绪列表中优先级最高的任务，并运行这个任务。

    如果用户在 FreeRTOS 的配置文件 FreeRTOSConfig.h 中禁止使用时间片调度，那么每个任务必须配置不同的优先级。

    当 FreeRTOS 多任务启动执行后，基本会按照如下的方式去执行：

◆ 首先执行的最高优先级的任务 Task1，Task1 会一直运行直到遇到系统阻塞式的 API 函数，比如延迟， 事件标志等待，信号量等待，Task1 任务会被挂起，也就是释放 CPU 的执行权，让低优先级的任务得到执行。

◆ FreeRTOS 操作系统继续执行任务就绪列表中下一个最高优先级的任务 Task2，Task2 执行过程中有两种情况：

    Task1由于延迟时间到，接收到信号量消息等方面的原因，使得Task1从挂起状态恢复到就绪态， 在抢占式调度器的作用下，Task2 的执行会被 Task1 抢占。 

    Task2 会一直运行直到遇到系统阻塞式的 API 函数，比如延迟，事件标志等待，信号量等待，Task2 任务会被挂起，继而执行就绪列表中下一个最高优先级的任务。

◆ 如果用户创建了多个任务并且采用抢占式调度器的话，基本都是按照上面两条来执行。根据抢占式调度器，当前的任务要么被高优先级任务抢占，要么通过调用阻塞式 API 来释放 CPU 使用权让低优先级任务执行，没有用户任务执行时就执行空闲任务。

下面我们通过如下的框图来说明一下抢占式调度在 FreeRTOS 中的运行过程

运行条件： 

◆ 这里仅对抢占式调度进行说明。 

◆ 创建 3 个任务 Task1，Task2 和 Task3。 

◆ Task1 的优先级为 1，Task2 的优先级为 2，Task3 的优先级为 3。

    FreeRTOS 操作系统是设置的数值 越小任务优先级越低，故Task3 的优先级最高，Task1 的优先级最低。 

◆ 此框图是 FreeRTOS 操作系统运行过程中的一部分。

运行过程描述如下：

◆ 此时任务 Task1 在运行中，运行过程中由于 Task2 就绪，在抢占式调度器的作用下任务 Task2 抢占Task1 的执行。Task2 进入到运行态，Task1 由运行态进入到就绪态。

◆ 任务 Task2 在运行中，运行过程中由于 Task3 就绪，在抢占式调度器的作用下任务 Task3 抢占 Task2 的执行。Task3 进入到运行态，Task2 由运行态进入到就绪态。

◆ 任务 Task3 运行过程中调用了阻塞式 API 函数，比如 vTaskDelay，任务 Task3 被挂起，在抢占式调 度器的作用下查找到下一个要执行的最高优先级任务是 Task2，任务 Task2 由就绪态进入到运行态。

◆ 任务 Task2 在运行中，运行过程中由于 Task3 再次就绪，在抢占式调度器的作用下任务 Task3 抢占 Task2 的执行。Task3 进入到运行态，Task2 由运行态进入到就绪态。 

    上面就是一个简单的不同优先级任务通过抢占式调度进行任务调度和任务切换的过程。

5 时间片调度器

    在小型的嵌入式 RTOS 中，最常用的的时间片调度算法就是 Round-robin 调度算法。

    这种调度算法可以用于抢占式或者合作式的多任务中。另外，时间片调度适合用于不要求任务实时响应的情况。 实现 Round-robin 调度算法需要给同优先级的任务分配一个专门的列表，用于记录当前就绪的任务， 并为每个任务分配一个时间片（也就是需要运行的时间长度，时间片用完了就进行任务切换）

    在 FreeRTOS 操作系统中只有同优先级任务才会使用时间片调度，另外还需要用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中使能宏定义： #define configUSE_TIME_SLICING     1

    默认情况下，此宏定义已经在 FreeRTOS.h 文件里面使能了，用户可以不用在 FreeRTOSConfig.h 文 件中再单独使能。

下面我们通过如下的框图来说明一下时间片调度在 FreeRTOS 中的运行过程

运行条件： 

◆ 这里仅对时间片调度进行说明。

◆ 创建 4 个同优先级任务 Task1，Task2，Task3 和 Task4。

◆ 每个任务分配的时间片大小是 5 个系统时钟节拍。 

运行过程描述如下：

◆ 先运行任务 Task1，运行够 5 个系统时钟节拍后，通过时间片调度切换到任务 Task2。

◆ 任务 Task2 运行够 5 个系统时钟节拍后，通过时间片调度切换到任务 Task3。 

◆ 任务 Task3 在运行期间调用了阻塞式 API 函数，调用函数时，虽然 5 个系统时钟节拍的时间片大小还没有用完，此时依然会通过时间片调度切换到下一个任务 Task4。（注意，没有用完的时间片不会再使用，下次任务 Task3 得到执行还是按照 5 个系统时钟节拍运行） 

◆ 任务 Task4 运行够 5 个系统时钟节拍后，通过时间片调度切换到任务 Task1。

上面就是一个简单的同优先级任务通过时间片调度进行任务调度和任务切换的过程。