本文介紹如何基于時(shí)間片論法的任務(wù)調(diào)度模式充分利用MCU的資源，姑且先稱這種方式為時(shí)間片差分調(diào)度法。

充分利用MCU的資源指的是在不影響原有的函數(shù)調(diào)度情況下合理進(jìn)行分配，避免MCU大部分時(shí)間處于空跑狀態(tài)（即大部分時(shí)間沒有調(diào)度任何的功能函數(shù)，只是在不停地判斷時(shí)間狀態(tài)，從而造成的資源浪費(fèi)），同時(shí)提高每個(gè)任務(wù)的調(diào)度周期的命中率（按時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)執(zhí)行）

背景

時(shí)間片論法不比操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以通過任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占當(dāng)前正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，或者高優(yōu)先級(jí)任務(wù)主動(dòng)睡眠釋放MCU資源以便低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以正常執(zhí)行；時(shí)間片論法必須等待當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行完成后才能執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)（中斷除外）。


因此，由于時(shí)間片論法的特性，很難保證某些任務(wù)能夠及時(shí)得到調(diào)度運(yùn)行，特別是所需要的調(diào)度任務(wù)多的情況下，常常出現(xiàn)不能及時(shí)調(diào)度的問題（雖然整體調(diào)度周期不變），從而影響所需要的功能，常見的做法可能通過定時(shí)中斷觸發(fā)的方式去執(zhí)行，可是碰到一些任務(wù)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間稍微長(zhǎng)的就會(huì)影響中斷的響應(yīng)等。


可以看下面的函數(shù)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)圖，每個(gè)刻度為200us（以下稱節(jié)拍），調(diào)度單位為1ms，只以200us以上的任務(wù)舉例，方便進(jìn)行理解

從上述圖中可知以下信息：

圖中一共有五個(gè)任務(wù)函數(shù)，每個(gè)任務(wù)函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間不定

任務(wù)1（黃色）周期為5ms

任務(wù)2（紅色）周期為6ms

任務(wù)5（紫色）周期為5ms

任務(wù)4（藍(lán)色）周期為12ms

任務(wù)5（綠色）周期為15ms

同一時(shí)刻觸發(fā)任務(wù)調(diào)度的執(zhí)行時(shí)的順序（調(diào)度函數(shù)的順序即可任務(wù)默認(rèn)優(yōu)先級(jí)）：1>2>3>4>5

第25ms時(shí)任務(wù)1的調(diào)度慢了一個(gè)節(jié)拍，原因是任務(wù)2和4的調(diào)度總時(shí)長(zhǎng)超過了調(diào)度單位時(shí)長(zhǎng)

除了任務(wù)1大部分時(shí)間都能及時(shí)被調(diào)度，其他任務(wù)并不能被及時(shí)調(diào)度，雖然周期不變，但命中率不高（甚至等于0）

其中存在周期性的幾個(gè)調(diào)度單位大部分時(shí)間處于空跑狀態(tài)

…等其他仔細(xì)觀察的可知信息，這里就不多說了

從獲取的信息可知，大部分任務(wù)雖然整體周期沒變，但是幾乎很少有低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)有較高的命中率，這樣就導(dǎo)致某些功能需要較高的命中率同時(shí)執(zhí)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（不能放在中斷中的任務(wù)函數(shù)）就不能正常工作。

如何優(yōu)化

在優(yōu)化之前，首先看下面這個(gè)有一定規(guī)律的函數(shù)調(diào)度時(shí)長(zhǎng)圖

還是五個(gè)任務(wù)，而規(guī)律就是函數(shù)任務(wù)公約數(shù)=最小調(diào)度周期任務(wù)，即5ms（假設(shè)小于5ms的任務(wù)大都執(zhí)行時(shí)間非常短，在此可忽略不計(jì)）

任務(wù)1（黃色）周期為5ms

任務(wù)2（紅色）周期為10ms

任務(wù)5（紫色）周期為20ms

任務(wù)4（藍(lán)色）周期為10ms

任務(wù)5（綠色）周期為20ms

圖中所展示的任務(wù)調(diào)度命中率也不高，也存在周期性的幾個(gè)調(diào)度單位大部分時(shí)間處于空跑狀態(tài)

看一下優(yōu)化前后的對(duì)比圖，雖然還是存在大部分時(shí)間處于空跑狀態(tài)，但是命中率提高到了100%

只要保證每個(gè)任務(wù)函數(shù)耗時(shí)小于調(diào)度單位，那么就能做到命中率 100%

如何實(shí)現(xiàn)的？
從優(yōu)化后的圖中可以了解到，第一個(gè)時(shí)刻調(diào)度的時(shí)候只有任務(wù)1，第二個(gè)時(shí)間調(diào)度只有任務(wù)2，以此類推，就可以在一定程度上避開同一時(shí)刻多個(gè)任務(wù)需要同時(shí)等待調(diào)度，從而引發(fā)的擁堵。

可以通過每個(gè)任務(wù)計(jì)時(shí)器的倒計(jì)時(shí)初值進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到每個(gè)時(shí)間調(diào)度只運(yùn)行一個(gè)任務(wù)的目的，提高任務(wù)的命中率。

那么接下來按照上面提到的規(guī)律去優(yōu)化剛開始的那個(gè)，主要有兩點(diǎn)：

在可接受范圍內(nèi)調(diào)整任務(wù)的周期，盡量保證任務(wù)函數(shù)任務(wù)公約數(shù)=最小調(diào)度周期任務(wù)

可以理解稱任務(wù)公約數(shù)等于多少就代表可以在初值上類推多少個(gè)任務(wù)進(jìn)行錯(cuò)開初次執(zhí)行；可以忽略部分函數(shù)耗時(shí)特別短的任務(wù)

調(diào)整每個(gè)任務(wù)倒計(jì)時(shí)器的初值，盡量錯(cuò)開擁堵時(shí)刻

任務(wù)多的情況下只能夠盡量避免，從而提高命中率，通過每個(gè)任務(wù)調(diào)度周期和執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行推算，得到每個(gè)任務(wù)的最佳的初值

根據(jù)以上兩點(diǎn)對(duì)上述調(diào)度任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化如下：

五個(gè)任務(wù)函數(shù)在可接受范圍內(nèi)調(diào)整任務(wù)周期后，同時(shí)調(diào)整初值
- 任務(wù)1（黃色）周期為5ms
- 任務(wù)2（紅色）周期為5ms
- 任務(wù)5（紫色）周期為5ms
- 任務(wù)4（藍(lán)色）周期為10ms
- 任務(wù)5（綠色）周期為15ms

得到對(duì)比圖：

此次優(yōu)化將充分地利用了每個(gè)時(shí)間片的資源，雖然某一段時(shí)間內(nèi)的空跑時(shí)間總和一樣，但是實(shí)際上將空跑的時(shí)間進(jìn)行了分散，提高了資源的使用率，從而讓每個(gè)任務(wù)的命中率提高到100%。

審核編輯 ：李倩