3、任务调度算法：时间片轮转、优先级抢占、合作式调度

好，咱们今天聊聊任务调度。这是RTOS的核心中的核心。

你想想看，一个单片机就一个核，但你要让它同时处理电机控制、传感器读取、通信协议……怎么做到的？说白了，就是靠调度器在背后「翻牌子」。它决定哪个任务先跑，哪个任务等一等。

我个人习惯把调度算法分成三大类：时间片轮转、优先级抢占、合作式调度。这三种我都用过，各有各的脾气。咱们一个一个说。

3.1 时间片轮转调度

这个最直观。就像几个人轮流用一台电脑，每人用固定时长，时间一到就换人。

每个任务分配一个固定的时间片，比如5毫秒。任务A跑5ms，挂起；任务B跑5ms，挂起；然后回到任务A。周而复始。

我在项目中遇到过一个问题：时间片设得太小，比如1ms，结果任务切换开销占了CPU的30%以上。设得太大，比如100ms，按键按下去要等100ms才有反应，用户体验极差。

代码实现其实不复杂。核心就是一个定时器中断，每次中断触发就切换到下一个任务：

// 时间片轮转调度核心
void scheduler_tick(void) {
    // 保存当前任务上下文
    save_context(current_task);
    
    // 切换到下一个任务
    current_task = (current_task + 1) % MAX_TASKS;
    
    // 恢复新任务上下文
    restore_context(current_task);
}

嗯，这里要注意：时间片轮转不解决「紧急任务」的问题。如果电机过流了，你还让它等5ms？那电机可能就烧了。

3.2 优先级抢占调度

这个就聪明多了。每个任务有个优先级，高优先级的任务可以随时打断低优先级的任务。

你想想看，电机过流检测任务的优先级设为最高，一旦触发，立刻打断正在运行的LED闪烁任务。这才是实时系统该有的样子。

我曾经踩过一个坑：把通信任务优先级设得太高，结果电机控制任务被频繁打断，导致电机运行不平顺。后来我学乖了——电机控制任务的优先级一定要高于通信任务。

优先级抢占的调度逻辑是这样的：

// 优先级抢占调度核心
void scheduler_preemptive(void) {
    task_t *highest = NULL;
    
    // 找到就绪态中优先级最高的任务
    for (int i = 0; i < MAX_TASKS; i++) {
        if (task_ready[i] && 
            (highest == NULL || task_priority[i] > highest->priority)) {
            highest = &tasks[i];
        }
    }
    
    // 如果当前任务不是最高优先级，就切换
    if (current_task != highest) {
        save_context(current_task);
        current_task = highest;
        restore_context(current_task);
    }
}

这里有个经典问题：优先级反转。低优先级任务拿着高优先级任务需要的资源，结果高优先级任务被阻塞。嗯，这个问题在后面的章节会专门讲。

3.3 合作式调度

这个最古老，但也最简单。任务自己决定什么时候让出CPU。

说白了，就是每个任务主动调用一个yield()函数，告诉调度器：「我干完了，你让别人跑吧。」

我记得早期做8位单片机项目时，RAM只有128字节，ROM只有2KB。跑抢占式RTOS？想都别想。合作式调度是唯一的选择。

合作式调度的代码极其简洁：

// 合作式调度核心
void task_yield(void) {
    // 保存当前任务状态
    save_context(current_task);
    
    // 切换到下一个就绪任务
    current_task = get_next_ready_task();
    
    // 恢复新任务上下文
    restore_context(current_task);
}

// 每个任务必须主动让出CPU
void task_led(void) {
    while (1) {
        toggle_led();
        task_yield();  // 主动让出
    }
}

3.4 三种调度算法的对比

咱们用一张表总结一下：

特性	时间片轮转	优先级抢占	合作式调度
任务优先级	无	有	无
响应时间	取决于时间片	可预测，短	取决于任务执行时间
资源开销	中等	高	低
适用场景	任务重要性相同	硬实时系统	资源受限系统
风险	紧急任务响应慢	优先级反转	任务阻塞系统

我个人建议：做机器人控制器，优先考虑优先级抢占调度。因为机器人对实时性要求高，电机控制、力传感器读取这些任务必须优先响应。

但如果你在做简单的传感器采集、LED控制，合作式调度完全够用，而且代码简单、bug少。

嗯，三种调度算法就讲到这里。下一章咱们聊聊任务同步与通信——信号量、互斥锁、消息队列。这些东西在实际项目中天天用，不搞清楚会出大问题。