# RTOS/HRTOS 调度基础（硬核精简版，适配硬实时体系）
## 一、调度核心本质
CPU同一时间只能执行一段代码，**调度就是分配CPU使用权的规则**；
调度器是这套规则的执行载体，中断系统是调度时机的唯一来源。
## 二、任务基础（调度的最小单元）
### 1. 任务TCB三要素
- 优先级：决定抢占权（硬实时核心）
- 私有栈：保存任务上下文，切换时现场存放
- 状态机：决定是否参与调度
### 2. 标准5种任务状态
1. **运行态**：当前占用CPU
2. **就绪态**：具备运行条件，等待调度分配CPU
3. **阻塞态**：主动放弃CPU（等待信号量/延时/消息）
4. **挂起态**：手动冻结，不参与调度
5. **延时态**：等待滴答时钟到期，到期转入就绪
### 3. 任务切换：上下文切换
切换时自动保存/恢复：通用寄存器、PC程序计数器、SP栈指针、状态寄存器；
切换耗时是硬实时核心指标，HRTOS会极致压缩切换周期。
## 三、三大基础调度算法
### 1. 抢占式优先级调度（HRTOS唯一标准）
1. 规则：CPU***执行**就绪队列里优先级最高**的任务；
2. 抢占触发：高优先级任务一旦就绪，立刻打断低优先级任务，无等待；
3. 优势：时序可预测、满足硬实时截止时间；
4. 痛点：存在**优先级反转**，必须配套互斥锁协议（PIP/PCPP）解决。
### 2. 同优先级时间片轮转
同一优先级下多个任务平分CPU，固定时间片到期后切换；
同优先级不会互相抢占，仅适用于低实时后台业务。
### 3. 协作式调度（裸机/老式RTOS，硬实时禁用）
任务主动调用释放CPU函数才会切换，高优任务无法抢占；
执行延迟无上限，不能用于工业/车载控制。
## 四、调度触发的两类时机（全部依赖中断）
### 1. 滴答定时器中断（周期调度源）
系统Tick心跳，处理延时任务、周期任务，中断退出时触发调度判断。
### 2. 外部硬件中断（异步抢占源）
传感器、AI加速器、急停等中断唤醒高优任务，中断返回前执行抢占切换；
是硬实时“事件即时响应”的基础。
### 补充：任务主动阻塞触发调度
任务调用`delay()`、`sem_wait()`主动放弃CPU，同步触发调度。
## 五、同步互斥：调度的配套约束（解决资源冲突）
### 1. 信号量
- 二值信号量：中断与任务同步；
- 计数信号量：缓冲资源计数。
### 2. 消息队列
跨任务传递传感器、AI图像数据，解耦生产者/消费者。
### 3. 互斥锁（解决优先级反转）
- 优先级继承PIP：低优先级临时抬升自身优先级；
- 优先级天花板PCPP：锁预设最高优先级，彻底杜绝无界阻塞。
### 4. 事件组
多事件条件触发任务唤醒。
## 六、硬实时调度核心约束（系统正确性的底层保障）
1. 全静态内存：禁止`malloc`，杜绝内存碎片带来随机抖动；
2. 最小关中断区间：关中断会阻塞所有抢占，必须缩到最短；
3. ISR极简原则：中断内只缓存数据，复杂运算放到任务；
4. 最坏执行时间可量化：切换延迟、中断响应、阻塞时长存在固定上限。
## 七、调度完整执行链路（最简流程）
硬件中断 → 修改任务状态（就绪） → 退出中断触发调度器 → 查找最高优先级就绪任务 → 上下文切换 → 高优任务获得CPU执行
## 八、通俗分层总结
1. **任务**：要跑的业务代码块；
2. **状态**：任务能不能抢CPU；
3. **优先级**：谁优先跑的规则；
4. **调度器**：执行这套规则的工具；
5. **中断**：触发调度、驱动整套时序模型的入口；
6. **同步组件**：保证多任务共享资源不乱序、不阻塞。 |
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