什么是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度？時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法基本原理

單片機(jī)在系統(tǒng)中充當(dāng)CPU的角色，需要同時(shí)處理多個(gè)事務(wù)。如與PC機(jī)通信，將收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)給從機(jī)，監(jiān)視數(shù)據(jù)處理情況等一些繁雜而又重要的事情。如何協(xié)調(diào)好各個(gè)事務(wù)之間的關(guān)系，并有條不紊的執(zhí)行各個(gè)事務(wù)，這就需要在編寫程序時(shí)采用合適的算法進(jìn)行處理。

一般的方法就是在單片機(jī)中移植操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)來(lái)管理各個(gè)事務(wù)。但由于系統(tǒng)要占用一定的內(nèi)部資源，這對(duì)本身資源非常有限的單片機(jī)來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的。所以，很少在單片機(jī)中采用操作系統(tǒng)，而是采用時(shí)間片輪詢調(diào)度的方法進(jìn)行各任務(wù)的管理。

時(shí)間片，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是CPU分配給各個(gè)程序的時(shí)間，使各個(gè)程序從表面上看是同時(shí)進(jìn)行的，而不會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)。

在宏觀上：我們可以同時(shí)打開多個(gè)應(yīng)用程序，每個(gè)程序并行不悖，同時(shí)運(yùn)行。但是在微觀上：由于只有一個(gè)CPU，一次只能處理程序要求的一部分，如何處理公平，一種方法就是引入時(shí)間片，每個(gè)程序輪流執(zhí)行。

時(shí)間片輪詢調(diào)度是一種古老而又簡(jiǎn)單的算法，廣泛運(yùn)用于無(wú)操作系統(tǒng)的微處理器中。在系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)時(shí)間段，稱作時(shí)間片，即該進(jìn)程允許運(yùn)行的時(shí)間。

如果在時(shí)間片結(jié)束時(shí)進(jìn)程還在運(yùn)行，則CPU將被剝奪并分配給另一個(gè)進(jìn)程。如果進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則CPU當(dāng)即進(jìn)行切換。調(diào)度程序所要做的就是維護(hù)一張就緒進(jìn)程列表，當(dāng)進(jìn)程用完它的時(shí)間片后，它被移到隊(duì)列的末尾。

時(shí)間片輪詢調(diào)度中有趣的一點(diǎn)是如何確定時(shí)間片的長(zhǎng)度。從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程是需要一定時(shí)間的，因?yàn)橐４婧脱b入寄存器值及內(nèi)存映像等保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的工作，更新各種表格和隊(duì)列等。假如進(jìn)程切換，有時(shí)稱為上下文切換，需要的時(shí)間為5毫秒，再假設(shè)時(shí)間片長(zhǎng)度設(shè)定為20毫秒，則在做完20毫秒有用的工作之后，CPU將花費(fèi)5毫秒來(lái)進(jìn)行進(jìn)程切換。CPU時(shí)間的20%被浪費(fèi)在了管理開銷上。

進(jìn)程切換時(shí)間一定的情況下，如果時(shí)間片長(zhǎng)度設(shè)定的越小時(shí)，這種浪費(fèi)更明顯。所以，時(shí)間片長(zhǎng)度與CPU利用率是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾，必須處理好它們之間的關(guān)系。

為了提高CPU效率，我們可以將時(shí)間片長(zhǎng)度設(shè)得大一些，這時(shí)浪費(fèi)的時(shí)間只有就會(huì)相對(duì)減小。但在一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)中，各個(gè)任務(wù)對(duì)時(shí)間片長(zhǎng)度的要求是不一致的。例如在一個(gè)系統(tǒng)中，可能要求每秒鐘更新一下顯示內(nèi)容，每幾十毫秒要掃描一下按鍵，每幾毫秒要檢測(cè)一下串口緩沖區(qū)等……可見(jiàn)，各個(gè)任務(wù)對(duì)時(shí)間的依賴程度是不一樣的。如果時(shí)間片設(shè)得太長(zhǎng)，某些對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)可能得不到執(zhí)行，使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變差。

總之，時(shí)間片的設(shè)定應(yīng)滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求最高的那個(gè)任務(wù)，這樣才能確保每個(gè)任務(wù)都可以及時(shí)得到執(zhí)行而不被錯(cuò)過(guò)。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法基本原理

在早期的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法中，系統(tǒng)將所有的就緒進(jìn)程按先來(lái)先服務(wù)的原則，排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)，把CPU分配給隊(duì)首進(jìn)程，并令其執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。

時(shí)間片的大小從幾ms到幾百ms.當(dāng)執(zhí)行的時(shí)間片用完時(shí)，由一個(gè)計(jì)時(shí)器發(fā)出時(shí)鐘中斷請(qǐng)求，調(diào)度程序便據(jù)此信號(hào)來(lái)停止該進(jìn)程的執(zhí)行，并將它送往就緒隊(duì)列的末尾;然后，再把處理機(jī)分配給就緒隊(duì)列中新的隊(duì)首進(jìn)程，同時(shí)也讓它執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片。這樣就可以保證就緒隊(duì)列中的所有進(jìn)程，在一給定的時(shí)間內(nèi)，均能獲得一時(shí)間片的處理機(jī)執(zhí)行時(shí)間。

單片機(jī)時(shí)間片輪詢和時(shí)間調(diào)度的區(qū)別

單片機(jī)時(shí)間片輪詢和時(shí)間調(diào)度是兩個(gè)與任務(wù)管理相關(guān)的概念，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)方式和目的上存在一些區(qū)別。

時(shí)間片輪詢是一種任務(wù)調(diào)度方法，它將時(shí)間分時(shí)，分別分配給不同的任務(wù)去執(zhí)行任務(wù)。每個(gè)任務(wù)被分配一個(gè)時(shí)間段，即時(shí)間片，用于執(zhí)行其操作。當(dāng)時(shí)間片結(jié)束時(shí)，如果任務(wù)仍在運(yùn)行，CPU將被剝奪并分配給另一個(gè)任務(wù)。這種方法的目的是確保每個(gè)任務(wù)都有機(jī)會(huì)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)之間的公平運(yùn)行。時(shí)間片輪詢常用于無(wú)操作系統(tǒng)的微處理器中，它維護(hù)一張就緒進(jìn)程列表，當(dāng)進(jìn)程用完它的時(shí)間片后，它被移到隊(duì)列的末尾。

而時(shí)間調(diào)度則是一種更廣泛的概念，它涉及對(duì)任務(wù)執(zhí)行順序和時(shí)間的整體管理。時(shí)間調(diào)度可以包括多種不同的算法和策略，以優(yōu)化系統(tǒng)性能、響應(yīng)時(shí)間和任務(wù)完成率。它可能考慮任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、資源需求、依賴關(guān)系等因素，以確定任務(wù)的執(zhí)行順序和時(shí)間。時(shí)間調(diào)度不僅關(guān)注任務(wù)的公平運(yùn)行，還關(guān)注整體系統(tǒng)效率和任務(wù)完成的質(zhì)量。

單片機(jī)時(shí)間片輪詢是時(shí)間調(diào)度的一種具體實(shí)現(xiàn)方式，它關(guān)注于將時(shí)間分配給不同的任務(wù)以確保公平運(yùn)行。而時(shí)間調(diào)度則是一個(gè)更廣泛的概念，涉及任務(wù)執(zhí)行順序和時(shí)間的整體管理，可以包含多種不同的算法和策略。

單片機(jī)中的任務(wù)調(diào)度和時(shí)間管理是一個(gè)復(fù)雜且多樣的領(lǐng)域，不同的系統(tǒng)和應(yīng)用可能會(huì)采用不同的方法和策略。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和系統(tǒng)特點(diǎn)來(lái)選擇合適的任務(wù)調(diào)度和時(shí)間管理方法。

審核編輯：黃飛