嵌入式基础知识-系统调度

系统调度是操作系统重要功能，在嵌入式开发，也要了解系统调度的基本原理。对于嵌入式Linux开发，一般使用多线程和多进程开发，对于运行RTOS的嵌入式系统，一般使用多任务开发。这些线程、进程、任务的调度，有许多相似之处。

1 进程的三种状态

• 执行态（Run）：进程占用CPU资源，对于单核处理器，任一时刻只能有一个进行处于执行态
• 就绪态（Ready）：进程本身具备运行条件，但由于处理机的个数少于可运行进行从个数，暂未运行，等待处理机资源
• 等待态（Wait）：也称挂起态（Suspended）、阻塞态、封锁态（Blocked）、睡眠态（Sleep）。该状态时，进行不具备运行条件，即使分给它处理机也不能运行。

• (a)：某个运行条件不能满足（如等待资源）
• (b)：等待条件消失（如等待的资源已经获得满足）
• ©：就绪队列中的进程获得CPU的使用权
• (d)：进程资源放弃CPU使用权，或被强制剥夺CPU使用权

2 进程切换

进程切换是指，操作系统为了控制进程的执行，必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行，也称为任务切换，或上下文切换。

或者说，进程切换就是从正在运行的进程中收回处理器，再使待运行的进程占用处理器。

结合上面介绍的进程三种状态，有如下分析：

• 当一个进程从运行态变成了阻塞态或就绪态，或完成工作被撤销，则该进程不再占用CPU，操作系统会进行进程调度，从就绪队列中重新选择一个进程执行
• 当一个进程从就绪态变成运行态，则意味着操作系统将之前运行的进行切换，当前的进行开始占用CPU
• 当一个进程从阻塞态变成就绪态，则该进程只是进入就绪队列，不会引起进程调度

3 AUTOSAR任务状态

AUTOSAR（Automotive Open System Architecture），中文是“汽车开放系统架构”，是一家致力于制定汽车电子软件标准的联盟.

AUTOSAR中定义的任务有两个类别：

• 基础任务：只有运行、阻塞、就绪三个状态。
• 扩展任务：在基础任务的基础上，多了一个等待状态。

各任务状态的特点如下：

• 运行态：在任何一个时间点只有一个任务处于运行状态
• 就绪态：所有任务都要转换为就绪态后才能转换为运行态，调度器决定哪一个就绪的任务将是下一个执行的任务
• 阻塞态：处于阻塞态的任务是被动的，可以被激活
• 等待态：处于等待态的任务将不能继续执行，它将等待至少一个事件发生

• (a) 触发：一个新任务被设置成就绪状态
• (b) 启动：一个就绪任务被调度器选择去执行
• © 被抢占：调度器决定去执行另一任务，使得运行态任务进行就绪态
• (d) 挂起：运行态任务通过调用系统服务使其转为阻塞态
• (e) 等待：通过一个系统服务引起状态转换到等待态，等待任务等待一个事件，以能够继续操作
• (f) 激活：至少一个任务等待的事件发生

4 RTOS任务切换

RTOS（Real Time Operating System），实时操作系统，指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，调度一切可利用的资源完成实时任务，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。

RTOS属于多任务系统，与进程切换的思想类似，多个任务也会进行任务的调度与上下文切换。

任务上下文是任务控制块（TCB）的组成部分，上下文切换由RTOS内部完成，并且上下切换时间是影响RTOS性能的重要指标。

下图为FreeRTOS的任务调度示意图。

• 1 任务创建完成后进入就绪态，表明任务已准备就绪，随时可以运行，只等待调度器进行调度。
• 2 发生任务切换时，就绪列表中最高优先级的任务被执行，从而进入运行态。
• 3 有更高优先级任务创建或者恢复后，会发生任务调度。
• 4 正在运行的任务发生阻塞（挂起、延时、读信号量等待）时，该任务会从就绪列表中删除，任务状态由运行态变成阻塞态，然后发生任务切换，运行就绪列表中当前最高优先级任务。
• 5 阻塞的任务被恢复后（任务恢复、延时时间超时、读信号量超时或读到信号量等），此时被恢复的任务会被加入就绪列表；如果此时被恢复任务的优先级高于正在运行任务的优先级，则会发生任务切换，将该任务将再次转换任务状态，由就绪态变成运行态。
• 6、7、8 任务可以通过调用vTaskSuspend() API 函数都可以将处于任何状态的任务挂起，被挂起的任务得不到CPU的使用权，也不会参与调度，除非它从挂起态中解除。
• 9 把一个挂起状态的任 务恢复的唯一途径就是调用vTaskResume() 或vTaskResumeFromISR() API 函数，如果此时被恢复任务的优先级高于正在运行任务的优先级，则会发生任务切换，将该任务将再次转换任务状态，由就绪态变成运行态。

5 总结

本篇介绍了系统调度的基础知识，包括进程的三种基本状态，进程切换，AUTOSAR与RTOS的任务切换基础知识。