HRTOS 示例 - 时间片轮转 | HRTOS Scheduling Engine

Mechanism Definition

机制定义

Round Robin 调度机制的核心组成

Round Robin（时间片轮转）是一种针对同优先级任务的公平调度算法。当多个任务具有相同优先级时，系统通过时间片机制让这些任务轮流获得CPU执行权，确保每个任务都能公平地使用CPU资源，避免某些任务长时间得不到执行。

核心公式： Round Robin = 同优先级Ready队列 + 时间片计数 + Tick触发调度 + os_switch切换

同优先级Ready队列

所有相同优先级的就绪任务被组织在一个链表中，调度器按照FIFO原则从这个队列中选择任务执行。

时间片计数

每个任务在执行时都有一个时间片计数器，当计数器归零时，触发调度器切换到下一个任务。

Tick触发调度

系统定时器中断（Tick）周期性地递减当前任务的时间片计数器，当时间片耗尽时触发任务切换。

os_switch切换

通过os_switch函数实现任务上下文切换，保存当前任务状态并恢复下一个任务的执行现场。

Ready Queue → Time Slice → Tick Interrupt → os_dispatch_id → os_switch → Next Task

Scheduling Features

调度特性

Round Robin 调度的关键特性

时间片轮转调度具有明确的调度特性，这些特性决定了同优先级任务如何公平地共享CPU资源，以及系统如何保证每个任务都能获得执行机会。

同优先级任务队列

队列组织：相同优先级任务进入同一Ready链表

选择策略：采用FIFO（先进先出）原则

队列管理：任务执行完毕后重新加入队列尾部

公平保证：每个任务都有机会被调度

时间片轮转执行

固定时间片：每个任务占用固定的时间片长度

时间片单位：以系统Tick为基本单位

执行周期：任务轮流执行，形成循环

响应性：时间片越短，任务切换越频繁

Tick驱动切换

触发源：系统定时器中断（Tick）

计数递减：每个Tick递减当前任务时间片

切换条件：时间片计数器归零

调度动作：触发调度器选择下一个任务

公平调度模型

资源分配：所有任务平均获得CPU时间

避免饥饿：防止任务长时间得不到执行

适用场景：同优先级任务的公平调度

性能平衡：在公平性和切换开销间平衡

Execution Flow

执行流程

任务从创建到时间片轮转的完整执行路径

1任务创建：hrtos_main 中创建 task_a、task_b、task_c，三个同优先级任务进入 Ready 状态

2调度启动：调度器选择第一个任务进入 Running 状态，系统进入 Round Robin 模式

3时间片运行：当前任务执行，系统Tick递减时间片计数器

4Tick触发切换：时间片耗尽，Tick中断触发调度器重新选择任务

5任务轮转：当前任务切换到下一个任务，形成循环执行

hrtos_main → os_task_create → 同优先级Ready队列 → 调度器选择 → 时间片运行 → Tick中断 → 时间片耗尽 → os_dispatch_id → os_switch → 下一个任务执行

Core Code

核心代码

时间片轮转调度的完整实现

任务函数实现

task_a、task_b、task_c 任务函数，分别控制不同的 LED

#include "hrtos.h"

sbit LED_A = P1^0;
sbit LED_B = P1^1;
sbit LED_C = P1^2;

void task_a(void)
{
    while(1)
    {
        LED_A = ~LED_A;
        os_task_yield();
    }
}

void task_b(void)
{
    while(1)
    {
        LED_B = ~LED_B;
        os_task_yield();
    }
}

void task_c(void)
{
    while(1)
    {
        LED_C = ~LED_C;
        os_task_yield();
    }
}

系统初始化与任务创建

hrtos_main 函数，创建三个同优先级任务并启动调度系统

void hrtos_main(void)
{
    LED_A = LED_B = LED_C = 0;

    os_task_create((unsigned int)task_a, 1, 1, 5);
    os_task_create((unsigned int)task_b, 2, 1, 5);
    os_task_create((unsigned int)task_c, 3, 1, 5);
}

Expected Result

运行结果

示例执行后的预期行为

LED 状态 LED_A、LED_B、LED_C 按照时间片轮转顺序依次变化，形成可观察的公平调度效果

任务调度 task_a、task_b、task_c 通过时间片机制实现轮流执行，每个任务获得相等的CPU时间

系统状态 任务在 Running 和 Ready 状态之间循环切换，同优先级任务公平共享CPU资源

系统本质： 本示例的核心不是 LED，而是验证 HRTOS 中：多个同优先级任务在同一CPU上通过 Round Robin 机制实现公平调度，避免任务饥饿。

Important Notes

注意事项

使用本示例时需要关注的关键点

优先级设置

三个任务使用相同的优先级（优先级 1），这是 Round Robin 调度的前提条件。如果设置不同优先级，高优先级任务会抢占低优先级任务的执行，无法体现时间片轮转的公平性。

时间片配置

时间片长度影响系统的响应性和切换开销。时间片过短会导致频繁切换，增加系统开销；时间片过长会影响任务的响应性。应根据实际应用场景合理配置时间片长度。

任务公平性

Round Robin 保证了同优先级任务的公平性，但不能保证实时性。对于有严格实时性要求的任务，应使用优先级抢占调度，而非时间片轮转。

任务数量限制

同优先级任务数量过多会影响系统性能，因为每个任务都需要在时间片内完成执行。实际应用中应合理控制同优先级任务的数量，平衡公平性和系统效率。

时间片轮转

示例目标

核心机制