一篇讲透嵌入式操作系统任务调度

进互联网公司操作系统和网络库是基础技能，面试过不去的看，这里基于嵌入式操作系统分几章来总结一下任务调度、内存分配和网络协议栈的基础原理和代码实现。

处理器上电时会产生一个复位中断，接下来会执行复位中断服务函数，这才是软件执行的起始点。复位函数先后调用SystemInit和__main函数，SystemInit是处理器自带的库函数，一般执行各种时钟和外设的初始化；__main函数执行C语言运行环境的初始化，包括将目标程序从flash搬运到RAM、初始化全局变量等内存段初值，初始化C语言库函数等操作，最后跳转到main函数，执行用户程序。不同型号的处理器启动流程不太一致，如果不是需要设计bootloader，可以没必要关心。

mian的主要工作大致为：内存初始化、硬件中断初始化，此外还会分配基础的资源如锁、信号量等，最后创建idletask。idletask任务优先级最低，里面一般循环执行WFI指令使芯片保持低功耗状态。

任务相关结构初始化很简单，主要是分配任务块空间，并挂接在freelist链表上。后续分配任务时，从freelist链表上取就行。

                           

接下来看看任务创建的步骤：

首先将需要回收的任务资源挂在freetasklist上去。这里是尽量延迟了任务的回收时间，不是在任务该回收的时候而是在新任务创建的时候回收旧任务。这样可以尽量减少CPU占用。所以每次新建任务，都是从freetasklist链表上取一个TCB下来然后根据用户需求分配栈大小，设置任务优先级和入口函数等。这里要注意操作freetasklist的过程中要关闭中断，防止操作过程中来了中断引起任务调度，导致crash。这里写代码需要注意因为参数检查、分配内存等流程都有可能出错，在设计程序的时候最好统一收口，所有错误有一个统一的出口处理，这样可以防止遗忘开中断等重要操作。大致流程如下：

从freelist头部摘取一个任务块，并分配任务栈空间、设置优先级等，新创建的任务需要挂接到priqueue链表数组中等待任务调度：

这里有个小知识点，一般的链表指向的都是结构体的首部，这样可以将链表指针直接强制转换成对应的数据结构（这里是任务块）。而在任务队列中链表位于任务块结构体中间，需要用宏来获取到链表指针对应的任务块首地址，这个宏的实现大同小异，各个操作系统都是借鉴Linux来实现的，详情百度：list_entry。

接下来就要说说操作系统是怎么做到常数级的任务切换时间的。初学者写的操作系统任务调度功能时可能会出现一种场景，那就是任务量少的时候任务切换时间快，任务量多的时候任务切换时间变慢，这种任务切换耗时不确定对用户任务影响时非常大的。我们来看看ucos系统是如何设计来保证常数级任务切换时间的。

一个全局的priqueue链表数组，上面挂接ready状态的任务队列，一个全局int32数，用于标记某优先级是否有需要调度的队列。要扩展到128位优先级也非常方便，设置4个int32数组即可。每次取优先级最高的任务，直接用CLZ汇编命令从bitmap中读出需要调度的最高优先级任务。

插入ready任务的时候需要将bitmap对应位置1，任务从ready状态移除的时候需要检查该优先级是否还有需要调度的任务，如果没有了，bitmap对应位需要置0。讲完嵌入式操作系统的进程调度，再来看看Linux的CFS的基础原理，就好理解多了，嵌入式系统低优先级队列可能会存在饿死现象，Linux的CFS调度算法给每个优先级分配了不同权重，根据就绪队列里所有任务的权重之和来分配任务的时间，来保证完全公平调度。

内存分配

前面分配任务块、分配任务栈等都用到了内存分配动作，具体的内存分配算法有：best-fit算法、TLSF算法、LWIP中的最快匹配算法、伙伴算法等，基础原理类似，下期再分析。

时钟中断

适配操作系统首要任务就是把时钟tick给起起来，这是芯片的心跳，所有的任务切换和延时操作都是基于时钟tick中断驱动的。

以ARM芯片的Cortex-M3核为例，启动时钟中断主要是调用osSetVector将tick回调函数设置进中断向量表里面的15号中断：

中断向量表长这样子：

前面15个中断号属于系统中断，后面预留中断号可供用户配置，M3是240个，M0是32个。

结合PendSV中断，可以在tick中断中完成别的事物（如定时器处理等），通过低优先级的PendSV中断来执行任务切换动作，从而减少中断响应时间。具体的分析在之前文章中：嵌入式操作系统的任务调度

在设置tick中断的时候还需要配置systick定时器的中断间隔。systick定时器是个简单的向下计数的24位计数器，寄存器位置位于系统控制空间基址SysTick_BASE偏移16字节，将需要的频率数值写入即可。systick寄存器的内部细节为：

详情可参考《ARM Cortex-M3 Cortex-M4权威指南》9.5节systick相关部分，其余相关linux中断知识可参考：Linux中断编程

顺带说一下，如果职业规划是往互联网方向转，那么寄存器硬件知识了解即可。如果想在物联网嵌入式领域深耕，不同ARM芯片之间的区别是一定要掌握的。

我们可以给tick中断配置为每10ms中断一次，防止过多的任务上下文切换占用CPU资源。中断到来后系统都要处理哪些事务呢？通常情况下会维护一个全局计数器，该中断到来时变量自增，然后会处理定时器任务和超时任务。

超时任务是什么呢？比如用户任务等待某个资源（锁、信号量等），如果获取不到就会设置超时时间阻塞等待，直到资源可用或者任务超时。因此每次时钟中断到来都需要判断是否有任务超时。

定时器任务就比较简单了，可以使用全局链表有序挂接定时任务，每次只需要判断链表头的任务是否到时，到时了摘取下来执行对应的回调函数即可。

不同的操作系统可能会在tick中断里面做一些别的事情，比如定时器对齐等。

貌似还有很多没写完，下周末再来总结。最后推荐嵌入式操作系统入门的三本书：《嵌入式操作系统内核调度--底层开发者手册》、《嵌入式网络那些事--STM32物联实战》、《ARM Cortex-M3 Cortex-M4权威指南》