当前位置：首页 > news >正文

嵌入式工程师多线程编程（四）裸机编程实现多任务调度

news 来源：原创 2025/6/8 13:28:38

以下是裸机编程实现多任务调度的核心方法与实践指南，结合搜索结果中的技术方案和实际案例：

一、裸机多任务调度的实现原理

裸机环境下需手动模拟任务调度，核心是通过中断触发+状态保存/恢复实现任务切换。关键要素包括：

任务定义：每个任务需独立栈空间、程序计数器(PC)和状态寄存器。
调度触发：依赖定时器中断（如SysTick）周期性触发任务切换。
上下文保存：切换时保存CPU寄存器状态（R0-R15, LR, PC等）到任务栈。

二、具体实现方法

1. 协作式调度（状态机+轮询）

适用场景：简单控制逻辑（如LED闪烁、按键检测）。

实现方式：

typedef struct {
    void (*task_func)(void);  // 任务函数指针
    uint32_t interval;        // 执行间隔
    uint32_t last_run;        // 上次执行时间
} Task;

Task tasks[] = {
    {led_task, 500, 0},      // LED任务每500ms执行
    {sensor_task, 100, 0}     // 传感器任务每100ms执行
};

void SysTick_Handler(void) {  // 1ms定时中断
    for (int i=0; i<2; i++) {
        if (current_tick - tasks[i].last_run >= tasks[i].interval) {
            tasks[i].task_func();  // 执行任务
            tasks[i].last_run = current_tick;
        }
    }
}

优点：无需上下文切换，资源占用极低。
缺点：任务阻塞会导致系统卡死。

2. 抢占式调度（手动上下文切换）

适用场景：需要实时响应的复杂系统（如无人机飞控）。

实现步骤：

定义任务控制块(TCB)：

typedef struct {
    void (*task_func)(void);
    uint32_t *stack_ptr;  // 任务栈指针
    uint32_t stack_size;
} Task;

上下文切换（ARM Cortex-M示例）：

__asm void PendSV_Handler(void) {
    // 保存当前任务上下文到栈
    MRS R0, PSP          // 获取当前任务栈指针
    STMDB R0!, {R4-R11}  // 保存寄存器
    STR R0, [R1]        // 更新TCB中的栈指针

    // 加载下一任务上下文
    LDR R0, [R2]        // 获取下一任务栈指针
    LDMIA R0!, {R4-R11}  // 恢复寄存器
    MSR PSP, R0         // 更新栈指针
    BX LR               // 返回新任务
}

触发切换：在SysTick中断中调用PendSV异常。
优点：支持优先级抢占，实时性强。
缺点：需处理寄存器保存，开发复杂度高。

3. 混合方案（状态机+中断驱动）

适用场景：需平衡实时性与资源消耗（如工业控制器）。
实现逻辑：
- 高优先级任务（如紧急停止）用中断驱动。
- 低优先级任务（如日志记录）用状态机轮询。

三、关键问题与优化

栈空间分配
- 每个任务栈需独立分配，大小根据调用深度调整（通常128-512字节）。
- 检测栈溢出：在栈顶/底填充魔数（如0xDEADBEEF）并定期检查。
资源共享
- 关中断保护：操作全局变量时临时关闭中断。
```
__disable_irq();
shared_data = new_value;
__enable_irq();
```
- 无锁队列：通过环形缓冲区实现任务间通信。
实时性保障
- 中断优先级配置：将调度器中断（如PendSV）设为最低优先级，避免嵌套中断导致延迟。