合作式调度器Cooperative Scheduler

2023-09-24 14:43:27

背景

单片机开发，入门从最开始的IO置位（点亮LED）开始，裸机开发来说整个是面向过程开发，最终所有的功能都在一个While循环之中，这样的好处在于模块逻辑很直观，流程比较清晰，但是在程序功能增多的时候整体功能会显得不直观。
且需要很多的标志位，同时由于所有的功能循环在一起运行，对于任务的运行间隔并不能很好的确定,有时也会因一个任务时间过长导致别的任务没有及时得到响应。
现在市面上的嵌入式RTOS也很多，这些RTOS可以很好设置任务间隔，这样用户可以根据自己应用来定义。
不过RTOS一般都需要一些汇编的知识，入门门槛较高，且RTOS成功用于应用需要对RTOS有一个很好的了解，且应用编写也需要一定的规则与要求，对于初学者来说难度较大。
合作式调度器是一种简单且可预测的调度方式，能较好地满足，任务按时调度的需求。同时合作式调度器全部有C语言实现，便于理解与移植。可以应用于很多的电子类产品，简单的复杂的，消费品及工业品

合作式调度器

调度器

可以看作是一个简单的操作系统，允许以周期性或单次方式来调用任务。从底层来看，为不同任务提供定时器中断服务，即初始化一个定时器为不同任务报价定时调用的功能。
嵌入式的RTOS也是一种调度器，一般都是可抢占的调度器，类似于freertos。抢占式调度器，通常较为复杂，需要实现任务的上下文切换，添加各种安全机制，锁机制，临界段，消息机制等。
合作式调度器，只是想实现定时调度任务，可以不需要额外的机制，实现简单。同时对过程来说，是很可控的。不会因为一些作务的切换导致运行不正常。

实现步骤

数据结构
初始化任务空间
定时器中断服务程序，用于刷新调度器
向调度器增加任务的函数
调度函数，可在运行循环函数内运行，即调度器更新去运行准备好的任务
删除任务函数，可以不添加，因为有些系统可以不删除任务

代码示例

任务数据结构

typedef struct sTask
{
	void (*pTask)(void);
	uint32 delay;
	uint32 period;
	uint8 runMe;
}sTask;

总的任务空间

#define SCH_MAX_TASKS    10
sTask schTaskGroup[SCH_MAX_TASKS];

初始化任务空间

void Task_Framework_Init(void)
{
	uint8 i = 0;
	
	for(i = 0; i < SCH_MAX_TASKS; i++)
	{
		schTaskGroup[i].pTask = 0;
		schTaskGroup[i].delay = 0;
		schTaskGroup[i].period = 0;
		schTaskGroup[i].runMe = 0;
	}
}

定时器中断更新调度器

void Task_Framework_Update(void)
{
	uint8 index = 0;
	
	for(index = 0; index < SCH_MAX_TASKS; index++)
	{
		if(schTaskGroup[index].pTask)
		{
			if(schTaskGroup[index].delay == 0)
			{
				schTaskGroup[index].runMe += 1;
				
				if(schTaskGroup[index].period)
				{
					schTaskGroup[index].delay = schTaskGroup[index].period - 1;
				}
			}
			else
			{
				schTaskGroup[index].delay -= 1;
			}
		}
	}
}

添加任务

uint8 Task_Framework_Add_Task(void (*pTask_)(void), uint32 delay_, uint32 period_)
{
	uint8 index = 0;
	
	while((schTaskGroup[index].pTask != 0) && index < SCH_MAX_TASKS)
	{
		index++;
	}
	
	if(index == SCH_MAX_TASKS)
	{
		return SCH_MAX_TASKS;
	}
	
	schTaskGroup[index].pTask = pTask_;
	schTaskGroup[index].delay = delay_;
	schTaskGroup[index].period = period_;
	schTaskGroup[index].runMe = 0;
	
	return index;
}

调度函数

调度函数可以在定时器中断中，在更新完直接调用，也可以在主循环中调用。个人倾向于在主循环中调用，减少在中断操作。

void Task_Framework_Dispatch_Tasks(void)
{
	uint8 index = 0;
	
	for(index = 0; index < SCH_MAX_TASKS; index++)
	{
		if(schTaskGroup[index].runMe > 0)
		{
			(*(schTaskGroup[index].pTask))();
			schTaskGroup[index].runMe -= 1;
			
			if(schTaskGroup[index].period == 0)
			{
				Task_Framework_Delete_Task(index);
			}
		}
	}
}

删除任务

没有删除任务需求，这个函数也可以不添加。

uint8 Task_Framework_Delete_Task(uint8 taskId_)
{
	uint8 errorCode = 0;
	if(taskId_ < SCH_MAX_TASKS)
	{
		schTaskGroup[taskId_].pTask = 0;
		schTaskGroup[taskId_].delay = 0;
		schTaskGroup[taskId_].period = 0;
		schTaskGroup[taskId_].runMe = 0;
	}
	
	return errorCode;
}

demo

int main( void )
{
	System_Framework_Init();
	Task_Framework_Add_Task(App_Test, 0, 100);
        Task_Framework_Add_Task(App_Polling, 0, 200);
	
	while(1)
	{
		Task_Framework_Dispatch_Tasks();
	}
}

void timer_interrupt(void)
{
        Task_Framework_Update();
}

总结

通过上述的代码就可以实现一个合作式调度器，对于不同的MCU可以很快的移植过去使用。
当然合作式调度器使用中也有一点地方要注意的。

每个任务的运行时间不可以过长，否则会影响系统的整体时效性。因此一些长时间运行的任务需要进行分解，使每次任务调用，不用过长的时间
所有的运行任务采用一个相同的delay,可能会导致任务的运行时间会有轻微偏差，如果对这一点要求过高，可以不同任务采用不同的delay,使调度任务时，尽量只有一个任务是需要调度的

实际的现实效果，可以在系统完成，添加一些测量函数，来评估下当前调度器的运行状态。
总体来说，合作式用于简单的电子应用，是一个很好的实现机制。
示例代码

参考书籍:时间触发嵌入式系统设计模式

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