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RVOS的任务调度优化

news 2025/4/30 18:02:05

12.系统优化–任务调度

12.1 改进任务管理功能

在原有基础上进⼀步改进任务管理功能。具体要求：改进 task_create()，提供更多的参数，具体改进后的函数如下所⽰：

int task_create(void (*task)(void* param),void *param, uint8_t priority);- param 用于在创建任务执行函数时可带入参数，如果没有参数则传入 NULL。
- priority 用于指定任务的优先级，目前要求最多⽀持 256 级，0 最高，依次类推。
- timeslice:任务的时间片大小,单位是操作系统的时钟节拍(tick)，此参数指定该任务一次调度可以运行的最大时间长度·和 priotity 相结合，调度器会首先根据 priority 选择优先级最高的任务运行，而 timeslice 则决定了当没有更高优先级的任务时，当前正在运行的任务可以运行的最大时间长度。

这里没啥好说的，难点就是c语言基本功，各种参数的传递要搞清楚，这里用的都是指针，我们存放的也都是地址，相互之间的参数传递也是使用32为地址来进行的。

（最开始还傻乎乎的以为，void *param，我们往里面传参的时候往往是把参数打包成一个struct传入，那么我用寄存咋能放得了，比如tasks[_top].ctx.a0 = (reg_t) param;，这里其实都是地址，所以是ok的。）

#define MAX_TASKS   10
#define MAX_PRIORITY 256struct task {struct context ctx;      	// 任务上下文uint8_t priority;        	// 任务优先级uint32_t timeslice;      	// 时间片大小uint32_t remaining_ticks; 	// 剩余时间片int active;              	// 是否活跃（1: 活跃, 0: 已退出）
};uint8_t __attribute__((aligned(16))) task_stack[MAX_TASKS][STACK_SIZE];
struct task tasks[MAX_TASKS];static int _top = 0;
static int _current = -1;void sched_init()
{w_mscratch(0);w_mie(r_mie() | MIE_MSIE);
}/** DESCRIPTION*  Create a task.*  - task: 任务入口函数*  - param: 传递给任务的参数*  - priority: 任务优先级*  - timeslice: 时间片大小* RETURN VALUE*  0: success* -1: if error occurred*/
int task_create(void (*task)(void* param), void *param, uint8_t priority, uint32_t timeslice)
{if (_top < MAX_TASKS) {tasks[_top].ctx.sp = (reg_t) &task_stack[_top][STACK_SIZE];tasks[_top].ctx.pc = (reg_t) task;tasks[_top].ctx.a0 = (reg_t) param; 		// 将参数传递给任务tasks[_top].priority = priority;tasks[_top].timeslice = timeslice;tasks[_top].remaining_ticks = timeslice; 	// 初始化剩余时间片tasks[_top].active = 1; 					// 标记任务为活跃_top++;return 0;} else {return -1;}
}

12.2 优化任务调度算法

修改任务调度算法，在原先简单轮转的基础上⽀持按照优先级排序，优先选择优先级高的任务运行，同⼀级多个任务再轮转。

出现的问题：调度算法现在有明显问题，问题是高优先任务如果不结束，低优先级任务一直不会得到运行。

问题分析：

当前调度算法的问题是严格优先级调度，导致高优先级任务如果不主动退出或让出 CPU，低优先级任务永远无法运行。这种情况被称为优先级饥饿（Priority Starvation）。为了解决这个问题，可以引入时间片轮转调度和动态优先级调整的机制。

改进思路：

时间片轮转调度：
- 即使高优先级任务未结束，当其时间片用完后，也需要切换到其他任务（包括低优先级任务）。
- 通过时间片管理，确保所有任务都有机会运行。
动态优先级调整：
- 随着时间推移，未运行的低优先级任务可以逐渐提升优先级，避免长期被高优先级任务压制。

void schedule(void)
{if (_top <= 0) {panic("Num of task should be greater than zero!");return;}int highest_priority = MAX_PRIORITY;int next_task = -1;// 动态优先级调整：逐渐提升未运行任务的优先级for (int i = 0; i < _top; i++) {if (tasks[i].active && i != _current) {tasks[i].priority = (tasks[i].priority > 0) ? tasks[i].priority - 1 : 0;}}// 遍历任务列表，选择优先级最高的任务for (int i = 0; i < _top; i++) {if (tasks[i].active) {if (next_task == -1 || tasks[i].priority < highest_priority || (tasks[i].priority == highest_priority && i > _current)) {highest_priority = tasks[i].priority;next_task = i;}}}if (next_task == -1) {panic("No active tasks to schedule!");return;}// 时间片管理if (_current >= 0 && _current < _top) {tasks[_current].remaining_ticks--;if (tasks[_current].remaining_ticks == 0) {tasks[_current].remaining_ticks = tasks[_current].timeslice; // 重置时间片} else if (tasks[_current].priority <= tasks[next_task].priority) {// 当前任务时间片未用完，且优先级不低于下一个任务，继续运行return;}}// 切换到下一个任务_current = next_task;struct context *next = &(tasks[_current].ctx);switch_to(next);
}

12.3 增加任务退出接口

增加任务退出接口 task_exit()，当前任务可以通过调用该接口退出执行，内核负责将该任务回收，并调度下⼀个可运行任务。建议的接⼝函数如下：

void task_exit(void);

实现思路：通过触发机器级软件中断来调用调度器，并标记当前任务为非活跃。（区分task_yield（）是将任务剩余时间片清零）

/** DESCRIPTION*  task_yield() causes the calling task to relinquish the CPU and a new *  task gets to run.*/
void task_yield()
{if (_current >= 0 && _current < _top) {tasks[_current].remaining_ticks = 0; }/* trigger a machine-level software interrupt */int id = r_mhartid();*(uint32_t*)CLINT_MSIP(id) = 1;
}

出现的问题1：task_exit直接调用schedule()出现 Sync exceptions! Code = 1

问题分析：查阅RISCV体系架构的说明，该问题是指令异常。原因是直接调用 schedule() 函数时，当前任务的上下文没有正确保存，导致任务切换时访问了无效的指令地址或内存区域。

直接调用 schedule() 的问题：
- schedule() 函数会切换到下一个任务，但在切换之前，当前任务的上下文（如寄存器状态、程序计数器等）没有保存。
- 当任务切换回来时，CPU 的状态可能已经被破坏，导致访问无效的指令地址或内存区域，从而触发 Instruction access fault 异常。
触发机器级软件中断的正确性：
- 使用 CLINT_MSIP 触发机器级软件中断时，RISC-V 的中断机制会自动保存当前任务的上下文（通过陷入中断处理程序）。
- 在中断处理程序中，调度器可以安全地切换任务，因为上下文已经被保存。

解决方案

如果希望直接调用 schedule()，需要确保在调用之前保存当前任务的上下文。以下是两种解决方案：

方案 1：使用中断触发调度（推荐）

保持现有的实现，通过触发机器级软件中断来调用调度器。这种方式利用了硬件中断机制，确保上下文正确保存。

void task_exit(void)
{if (_current >= 0 && _current < _top) {tasks[_current].active = 0; // 标记当前任务为非活跃int id = r_mhartid();*(uint32_t*)CLINT_MSIP(id) = 1; // 触发机器级软件中断}
}

方案 2：手动保存上下文后调用 schedule()

在直接调用 schedule() 之前，手动保存当前任务的上下文。

void task_exit(void)
{if (_current >= 0 && _current < _top) {tasks[_current].active = 0; // 标记当前任务为非活跃// 手动保存上下文struct context *current_ctx = &(tasks[_current].ctx);save_context(current_ctx); // 假设有一个保存上下文的函数// 调用调度器schedule();}
}