本节内容将以一个简单的例子来说明任务的调度机制。

基础理论

系统进行任务调度过程中涉及到任务、任务池、优先级、轮询和系统调度周期几个概念，接下来分别介绍一下这几个概念。

  • 任务（Task）：可以理解为需要处理器处理的具体任务，例如“在1秒后开灯”或者“关灯”等等。
  • 任务池：是一个可以存储多个任务的缓冲区，例如一个任务池中可以存放“1秒后开灯”、“2秒后关灯”、“3秒后开灯”及“1分钟后关灯”这几个任务。系统会在指定的时间去执行任务池中的各个任务。
  • 优先级：由于可能存在在同一个时刻需要执行多个任务的情况，所以需要区分在这个时刻优先处理哪些任务、延后处理哪些任务，而优先级是用来标记每一个任务的优先等级。在相同条件下，系统会优先处理高优先级的任务，同时低优先级的任务需要等待处理。另外，系统也可能会中断优先级较底的任务，转而去处理优先级较高的任务。
  • 轮询：系统会每隔一段时间在任务池中检查有没有现在需要处理的任务，这个过程称为轮询。
  • 操作系统调度周期：调度周期是指轮询概念中“每隔一段时间”的具体时间长度。系统调度周期也是任务的最小时间周期，例如系统调度周期是1秒钟，但是存在一个任务是“0.1秒后关灯”，该任务虽然要求0.1秒后关灯，但由于0.1秒小于系统调度周期，所以这个任务在1秒后才会被执行。

    动手实现系统调度

    总体流程
    本节课配套的工程代码如图所示。
    第2章：操作系统的任务调度原理 - 图1

打开main.c文件，其中的主函数代码如下：

  1. void main()
  2. {
  3.     initLed();//初始化LED灯
  4.     taskListInit();//初始化任务池
  6.     addTask(2000, TASK_LED_ON);//往任务池中添加一个任务，即2s后打开LED
  7.     addTask(3000, TASK_LED_OFF);//往任务池中添加一个任务，即3s后关闭LED
  9.     //每隔1ms轮询1次
  10.     while(1) {
  11.         delayMs(1);//暂停1ms
  12.         polling();//轮询
  13.     }
  14. }

上述代码简单地模拟了系统调度过程，其目的是为了让读者能更通俗地理解，难免会有些不够严谨的地方。

在主函数中首先初始化了任务池，然后向任务池添加了两个任务，分别是“2秒后开灯”和“3秒后关灯”，接着便进入了while循环。delayMs函数让程序等待1毫秒后才接着运行，polling函数让程序去查看有没有需要处理的任务。就这样，这段代码实现了每隔1毫秒就去查看有没有需要处理的任务，于是模拟了一个系统调度周期为1毫秒的系统轮询。

任务池的实现

适用于任务池的数据结构有多种，比如队列（先进先出）、堆栈（先进后出）和树状结构（遍历）。这些数据结构的实现方式可以是静态的数组或者是动态的链表等。为了便于读者理解，此处使用静态的数组作为任务池数据结构的实现。

定义一个结构体来表示一个任务，代码如下：

  1. /** @brief 任务结构体的定义*/
  2. typedef struct task_t {   
  3.     bool occupy;//是否已占用：true表示当前有任务；false表示当前没有任务
  4.     uint16_t task;//任务内容
  5.     uint16_t expire;//等待时间
  6. } task_t;

于是我们可以定义一个结构体数组来表示任务池，代码如下：

  1. /** @brief 任务池的定义 */
  2. #define TASK_LIST_SIZE 5
  3. static task_t taskList_g[TASK_LIST_SIZE];

接着，我们定义4个API来操作任务池。

1. taskListInit(void)
任务池初始化函数taskListInit(void)把数组中的的每个元素的occupy值设置为false，表示该元素没有存放任务，代码如下：

  1. /*
  2. * 任务池初始化
  3. */
  4. static void taskListInit()
  5. {
  6.     //把所有任务都设置为未使用
  7.     for (uint16_t i = 0; i < TASK_LIST_SIZE; i++)
  8.       taskList_g[i].occupy = false;
  9. }

2. addTask(uint16_t expire, uint16_t event)
增加任务函数addTask首先查找整个数组看看有没有没被占用（occupy=false）的元素。如果找到了，把任务信息保存到该数组元素中，并把标志位occupy设置为“占用”（occupy=true），代码如下：

  1. /*
  2. * 往任务池中添加任务
  3. * @param expire 延迟多久执行
  4. * @param task 任务内容
  5. */
  6. static void addTask(uint16_t expire, uint16_t task)
  7. {
  8.     for (uint16_t i = 0; i < TASK_LIST_SIZE; i++) {
  9.         if(taskList_g[i].occupy) continue;
  11.         taskList_g[i].task  = task;
  12.         taskList_g[i].expire = expire;
  13.         taskList_g[i].occupy = true;
  15.         break;
  16.     }
  17. }

3. polling()
轮询函数polling查找整个数组，看看有没有数组元素被“占用”且对应的任务到期。如有，则处理该任务，并在处理后释放该数组元素控件，即把occupy设置为false，代码如下：

  1. /*
  2. * 轮询
  3. */
  4. static void polling()
  5. {
  6.     for (uint16_t i = 0; i < (sizeof(taskList_g)/sizeof(taskList_g[0])); i++)
  7.         if (taskList_g[i].occupy && (--taskList_g[i].expire == 0)) {
  8.             //执行任务
  9.             taskHandler(taskList_g[i].task);
  10.             //释放任务池中的空间
  11.             taskList_g[i].occupy = false;
  12.         }
  13. }

其中，每执行一次for循环expire的值都会自减1，如果expire的值减至0表示该任务已经到时间执行了，便调用任务处理函数执行任务。另外，由于在任务池前面的任务会被优先遍历并被执行，因此越靠前的任务的优先级也就越高了。

4. taskHandler(uint16_t task)
任务处理函数taskHandler(uint16_t task)的工作内容是根据各个任务内容来进行相应的处理。需要注意的是，我们在处理完对应的任务后，又重新往任务池添加了新的任务，比如TASK_LED_ON也就是开LED，然后我们又设置了TASK_LED_OFF任务，从而达到周期性任务的效果，代码如下：

  1. /*
  2. * 执行指定的任务
  3. *
  4. * @param task 任务
  5. */
  6. static void taskHandler(uint16_t task)
  7. {
  8.     /* 根据指定的任务，执行对应的操作 */
  9.     if (task == TASK_LED_ON) {
  10.         LED = LED_ON;//开灯
  12.         printf("Set Led On!\n");
  13.         //执行完任务后，重新往任务池中添加一个开灯任务
  14.         addTask(2000, TASK_LED_ON);
  15.     }
  16.     else if(task == TASK_LED_OFF) {
  17.         LED = LED_OFF;//关灯
  18.         printf("Set Led Off!\n");
  20.         //执行完任务后，重新往任务池中添加一个关灯任务
  21.         addTask(2000, TASK_LED_OFF);
  22.     }
  23. }

调试仿真

单击集成开发环境IAR 10.10.1中的Download and Debug按钮进行程序的编译、链接和下载并进入仿真模式，如图所示。
第2章：操作系统的任务调度原理 - 图2
进入仿真模式之后，单击Go按钮运行程序，如图所示。
第2章：操作系统的任务调度原理 - 图3
程序运行后，可以看到在Terminal I/O窗口中交替输出Set Led On和Set Led Off，如图所示。
第2章：操作系统的任务调度原理 - 图4