HRTOS源码解析（一）：从0实现51单片机协作式调度器，理解RTOS任务调度原理

很多初学嵌入式的人第一次接触RTOS时都会看到一些概念Task任务Scheduler调度器Ready List就绪队列Tick系统节拍但是这些概念到底是如何工作的如果直接阅读FreeRTOS等大型RTOS源码会因为代码量太大而难以理解。因此本文通过一个简单的8051协作式调度器分析RTOS最核心的运行机制。本文代码来自HRTOS早期调度核心。项目地址HRTOS官网HRTOS - Hard Real-Time Operating System | 硬实时操作系统一、RTOS本质是什么很多人认为RTOS就是“同时运行多个程序”。实际上单片机通常只有一个CPU核心同一时间只能执行一个任务。RTOS做的事情其实是在不同任务之间快速切换让多个任务看起来像同时运行。例如任务1LED闪烁 任务2串口通信 任务3按键检测调度器负责决定下一次CPU应该运行哪个任务。二、最简单的任务管理结构HRTOS使用任务控制块TCB保存任务信息。例如OS_TCB xdata os_task_table[OS_MAX_TASK];任务表保存任务ID任务入口地址等待时间任务状态可以理解为任务表 ------------ | Task 0 | ------------ | Task 1 | ------------ | Task 2 | ------------每个任务都有自己的管理信息。三、就绪任务如何保存HRTOS使用位图管理任务状态unsigned int os_ready_bitmap;例如bit: 0000 0111 表示 Task0 就绪 Task1 就绪 Task2 就绪 其他任务 未运行相比遍历整个任务列表位图方式更加适合资源有限的8051。四、创建任务任务创建函数char os_task_create( unsigned int addr, unsigned char id, unsigned char pr, unsigned char sd )核心代码os_task_table[id].idid; os_task_table[id].addraddr; os_ready_bitmap|(1 (id));这里完成三个动作保存任务入口地址分配任务ID加入就绪队列例如创建LED任务os_task_create( LED_task, 1, 0, 0 );系统之后就知道Task1在哪里需要运行时跳转过去。五、任务等待机制RTOS中经常需要“等待一段时间后继续运行”。例如LED每500ms翻转一次。HRTOSos_wait(type,obj,tick);核心os_task_table[os_current].wait_ticktick; os_ready_bitmap (~(1 os_current));意思是当前任务进入等待状态。同时从就绪列表中删除。CPU可以运行其他任务。六、系统节拍Tick如何唤醒任务8051定时器中断void wake_task() interrupt 1每次中断检查所有任务if(os_task_table[i].wait_tick) { os_task_table[i].wait_tick--; if(os_task_table[i].wait_tick0) { os_ready_bitmap|(1i); } }例如Task1等待5个ticktick5 ↓ tick4 ↓ tick3 ↓ tick2 ↓ tick1 ↓ 0 ↓ 重新加入就绪队列这就是RTOS中的时间管理。七、最核心的调度器调度器void os_schedule()它负责选择下一个任务。核心逻辑for(ios_current1;iOS_MAX_TASK;i) { if(os_ready_bitmap(1i)) { break; } }简单来说从当前任务之后寻找下一个可运行任务。例如当前Task0运行就绪Task1 Task3调度Task0 ↓ Task1 ↓ Task3 ↓ Task0这就是最基本的轮询调度思想。八、为什么这是协作式调度这个版本属于协作式调度。特点任务主动让出CPU。例如while(1) { LED(); os_wait(...); }任务调用等待函数后CPU才会切换任务。优点实现简单代码量小非常适合学习RTOS原理缺点如果某个任务while(1) { do_something(); }一直占用CPU不主动释放。其他任务就无法运行。九、从协作式到抢占式现代RTOS通常采用抢占式调度。区别协作式任务主动释放CPU Task A | wait() | Task B抢占式定时器中断触发 Task A | 中断 | 调度器 | Task BHRTOS后续版本在这个基础上增加了优先级调度抢占式切换多级任务管理十、总结通过几十行核心代码可以看到一个RTOS最基础的组成任务管理 | 任务状态 | 时间管理 | 调度器 | 任务切换RTOS并不是神秘的软件。它本质上就是管理多个任务并决定CPU下一步执行谁。对于8051这种资源有限的MCU通过简单、高效的设计同样可以实现实时任务管理。更多HRTOS资料HRTOS - Hard Real-Time Operating System | 硬实时操作系统https://hrtos.cn欢迎交流8051、RTOS以及嵌入式系统开发。