操作系统内核运行原理

任务调度，抢占式内核，你真的懂吗？

最近在捣鼓一个智能空调面板的项目，用的是GD系列的国产芯片，上面跑FreeRTOS。本来以为就是把代码写好，下载进去跑起来就行。结果发现，程序跑是跑了，但有时候按键不灵敏，有时候温湿度数据更新慢半拍。折腾了好几天，最后才搞明白，问题出在任务调度上，根本不是硬件的问题。

一开始三个任务都是按顺序创建的：显示、按键、温湿度读取。我寻思着创建顺序有啥影响呢？后来才搞清楚，FreeRTOS的任务调度和创建顺序没关系，关键是看优先级。我给温湿度读取任务设了高优先级，其他两个是低优先级。按道理说，只要这个高优先级任务一就绪，就得马上运行。

系统时钟节拍设的是1ms，也就是每隔1毫秒就会进一次SysTick中断。这个中断里会调vTaskGetTickCount()更新时间，然后检查有没有任务等的时间到了。比如温湿度任务每次工作完就延时4ms，那它就会被系统放到等待表里，暂时不参与调度。

这时候就绪表里就剩两个低优先级任务，显示和按键，优先级一样。FreeRTOS处理这种情况是轮着来，叫时间片调度。显示任务先跑，1ms时间到了，SysTick中断进来，系统一看，哦该轮到下一个了，就把显示任务扔到就绪表队尾，把按键任务提到前面，然后做任务切换，按键任务就开始执行。

就这样来回切换，1ms一中断，看起来三个任务都在同时工作。但实际上CPU在任何一个瞬间，其实只在干一件事。只是切换得太快，人感觉不到。这就是所谓的“并发”，不是真正的同时运行。

关键的地方来了。等到第4个1ms节拍到来，温湿度任务等的4ms时间到了。系统时钟节拍服务发现这个任务等待超时了，立刻就把它从等待表里拉出来，加到就绪表里。这时候内核马上检查，就绪表里谁优先级最高？一看，哦那个高优先级的温湿度任务来了。

因为是抢占式内核，系统二话不说，哪怕按键任务才刚执行了0.1ms，也会立刻暂停它，保存它的所有寄存器状态，把CPU让给温湿度任务。这就是抢占。高优先级任务一来，低优先级的就得马上让位。

整个过程就像驾校练车，教练车只有一辆。VIP学员（高优先级任务）一回来，不管普通学员（低优先级任务）练到哪了，都得把车交出来。等VIP练完了，普通学员才能继续。这就是实时系统的意义，能保证重要任务及时响应。

任务控制块TCB里存着每个任务的所有信息，栈指针、优先级、状态啥的。每次切换的时候，内核就根据这些信息，把上一个任务的现场保存到它的栈里，再把下一个任务的现场从它的栈里恢复出来。这个过程叫上下文切换，就是换个人上场。

之前按键不灵敏，是因为我把按键扫描的时间设得太长，又没设合适的延时，导致它占着CPU不放。后来改成每扫描完一次就延时一下，让出时间片，问题就没了。温湿度数据延迟也是一样，它的周期是4ms，和1ms的节拍器配合得好好的。

整个系统就这么转着，哪个任务该等就等，该跑就跑。内核像个管家，管着就绪表和等待表两张名单，谁该上场谁该候着，安排得明明白白。定时器每响一次，它就出来看一眼，该调整就调整。

代码也没重写几行，就是把任务延时和优先级理清楚了。烧进去一试，所有功能都正常了。原来问题不在代码逻辑，在对内核运行原理的理解。以前光知道创建任务、启动调度，至于背后怎么调度的，稀里糊涂的。

现在算是搞明白了，操作系统的内核，核心就两件事：一是管理任务的状态，就绪、运行、等待；二是决定什么时候让哪个任务上CPU。靠的就是那个定时中断和抢占规则。看似复杂，拆开了看也没那么玄乎。

东西修好了，可以继续下个项目了。