在眾多實(shí)際項(xiàng)目里，像無(wú)人機(jī)飛行控制這類對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求近乎嚴(yán)苛的場(chǎng)景，RTOS 系統(tǒng)通過高效的任務(wù)調(diào)度，保障飛行姿態(tài)調(diào)整、傳感器數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵任務(wù)有序且及時(shí)地執(zhí)行，讓無(wú)人機(jī)能夠精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的飛行環(huán)境 。又比如在大疆的一些智能影像設(shè)備中，RTOS 任務(wù)調(diào)度確保視頻拍攝、圖像傳輸與處理等任務(wù)協(xié)同工作，為用戶呈現(xiàn)高質(zhì)量的影像效果。

對(duì)于本次面試中 “RTOS 系統(tǒng)是如何任務(wù)調(diào)度的” 這一問題，我將從任務(wù)調(diào)度的基本概念入手，詳細(xì)剖析常見的調(diào)度策略，如優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度以及協(xié)同調(diào)度等，闡述它們各自的工作原理與適用場(chǎng)景 。接著深入探討任務(wù)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，包括任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換流程，以及調(diào)度器如何基于這些狀態(tài)和特定時(shí)機(jī)完成任務(wù)切換。同時(shí)，我也會(huì)針對(duì)任務(wù)調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，給出具體的解決方案和實(shí)際案例分析 。通過這些方面的闡述，全面且深入地展示我對(duì) RTOS 系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的理解，希望能契合大疆在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)知識(shí)和技能的高要求 。

Part1.RTOS系統(tǒng)基礎(chǔ)入門

1.1RTOS 系統(tǒng)是什么

RTOS，即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System） ，從定義上來(lái)說，它是一種能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)外部事件做出響應(yīng)，并完成相應(yīng)任務(wù)的操作系統(tǒng)。與我們?nèi)粘＝佑|的普通操作系統(tǒng)，如 Windows、Linux 等相比，RTOS 的最大特點(diǎn)就在于 “實(shí)時(shí)性”。

普通操作系統(tǒng)更側(cè)重于系統(tǒng)資源的均衡分配和多任務(wù)的并發(fā)處理，以滿足用戶多樣化的需求。例如，當(dāng)我們?cè)?Windows 系統(tǒng)上同時(shí)打開多個(gè)應(yīng)用程序，如瀏覽器、文檔編輯軟件、音樂播放器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)盡量公平地分配 CPU 時(shí)間給各個(gè)應(yīng)用，讓它們看起來(lái)像是在同時(shí)運(yùn)行。但在這個(gè)過程中，我們可能會(huì)感覺到某些操作的延遲，比如打開一個(gè)大型文件時(shí)需要等待幾秒鐘，這在普通操作系統(tǒng)的使用場(chǎng)景中是可以接受的。

而 RTOS 則截然不同，它對(duì)任務(wù)的處理及時(shí)性有著極高的要求。在 RTOS 中，每個(gè)任務(wù)都有明確的時(shí)間限制，系統(tǒng)必須確保這些任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，否則可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。例如在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上，機(jī)器人的動(dòng)作控制必須精確到毫秒級(jí)，一旦控制指令的執(zhí)行出現(xiàn)延遲，就可能導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題甚至生產(chǎn)事故；在航空航天領(lǐng)域，飛行器的飛行姿態(tài)調(diào)整也依賴于 RTOS 的實(shí)時(shí)控制，任何微小的延遲都可能引發(fā)飛行安全事故。

對(duì)于大疆的嵌入式設(shè)備而言，實(shí)時(shí)性更是關(guān)乎產(chǎn)品性能和安全的核心要素。以大疆無(wú)人機(jī)為例，在飛行過程中，無(wú)人機(jī)需要實(shí)時(shí)采集來(lái)自各種傳感器的數(shù)據(jù)，如陀螺儀、加速度計(jì)、GPS 等，這些傳感器不斷地向系統(tǒng)反饋無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、位置、速度等信息。RTOS 必須在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法生成相應(yīng)的控制指令，以調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行路徑，確保其穩(wěn)定飛行。如果 RTOS 不能及時(shí)處理這些任務(wù)，無(wú)人機(jī)就可能出現(xiàn)失控、墜毀等嚴(yán)重后果。

1.2為什么大疆選擇 RTOS 系統(tǒng)

大疆的產(chǎn)品，尤其是無(wú)人機(jī)，在運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)處理大量復(fù)雜的任務(wù)，這就決定了它對(duì)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性有著極高的要求，而 RTOS 系統(tǒng)恰好能夠滿足這些需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴多任務(wù)并行處理：大疆無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)，要同時(shí)處理飛行姿態(tài)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、影像數(shù)據(jù)傳輸與處理、通信數(shù)據(jù)收發(fā)等多個(gè)任務(wù)。例如，在進(jìn)行航拍時(shí)，無(wú)人機(jī)一方面要通過復(fù)雜的算法實(shí)時(shí)調(diào)整自身的飛行姿態(tài)，以保持穩(wěn)定的拍攝角度；另一方面，要快速采集相機(jī)拍攝的高清影像數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線通信模塊將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂贫恕TOS 系統(tǒng)支持多任務(wù)并行處理，能夠?yàn)槊總€(gè)任務(wù)分配獨(dú)立的資源和執(zhí)行時(shí)間，確保各個(gè)任務(wù)之間互不干擾，高效協(xié)同工作。通過 RTOS 的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，可以根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和時(shí)間要求，合理安排 CPU 等系統(tǒng)資源，使無(wú)人機(jī)能夠同時(shí)兼顧多個(gè)任務(wù)的執(zhí)行，保證飛行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性。

⑵實(shí)時(shí)性保障：在無(wú)人機(jī)的飛行過程中，許多任務(wù)都具有嚴(yán)格的時(shí)間限制，如飛行姿態(tài)控制任務(wù)需要在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理和控制指令的生成，以應(yīng)對(duì)飛行過程中的各種突發(fā)情況。RTOS 系統(tǒng)通過優(yōu)化的任務(wù)調(diào)度算法和高效的中斷處理機(jī)制，能夠確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到及時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)性的苛刻要求。例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)遇到突然的氣流干擾時(shí)，RTOS 能夠迅速響應(yīng)傳感器檢測(cè)到的姿態(tài)變化信號(hào)，優(yōu)先調(diào)度飛行姿態(tài)控制任務(wù)，及時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，避免發(fā)生飛行事故。

⑶可靠性與穩(wěn)定性：大疆無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境和關(guān)鍵領(lǐng)域，如影視拍攝、測(cè)繪、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢等，這就要求無(wú)人機(jī)的操作系統(tǒng)具備極高的可靠性和穩(wěn)定性，以確保任務(wù)的順利完成。RTOS 系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)證，具有完善的錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制，能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)快速進(jìn)行自我修復(fù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，RTOS 對(duì)任務(wù)的管理和調(diào)度更加精細(xì)，能夠有效避免任務(wù)之間的沖突和死鎖等問題，提高系統(tǒng)的可靠性。例如，在電力巡檢任務(wù)中，無(wú)人機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地飛行在復(fù)雜的輸電線路環(huán)境中，RTOS 系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性能夠確保無(wú)人機(jī)持續(xù)穩(wěn)定地工作，準(zhǔn)確地檢測(cè)輸電線路的故障隱患。

Part2.RTOS 系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度核心機(jī)制

2.1調(diào)度策略總覽

大疆在其嵌入式系統(tǒng)中采用了 FreeRTOS 與 μC/OS - III 混合架構(gòu)，這一創(chuàng)新的架構(gòu)融合了兩者的優(yōu)勢(shì)，為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供了高效、穩(wěn)定的任務(wù)調(diào)度支持。在這個(gè)混合架構(gòu)中，涉及到兩種主要的任務(wù)調(diào)度策略：優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度 ，它們各自有著獨(dú)特的工作方式和適用場(chǎng)景，共同協(xié)作以確保無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度，顧名思義，是基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的一種調(diào)度方式。在這種調(diào)度策略下，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)時(shí)，它會(huì)立即打斷正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，搶占 CPU 的控制權(quán)，從而保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠得到及時(shí)處理。這種調(diào)度策略適用于那些對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的任務(wù)，例如飛控指令的處理、緊急避障任務(wù)等。在無(wú)人機(jī)飛行過程中，飛控指令直接關(guān)系到無(wú)人機(jī)的飛行安全和穩(wěn)定性，一旦有新的飛控指令產(chǎn)生，必須立即得到執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度就能很好地滿足這一需求。

而時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度則是針對(duì)相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的一種調(diào)度策略。當(dāng)多個(gè)任務(wù)具有相同的優(yōu)先級(jí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)相等的時(shí)間片段（即時(shí)間片），這些任務(wù)按照順序輪流在 CPU 上運(yùn)行。當(dāng)一個(gè)任務(wù)的時(shí)間片用完后，即使它還沒有完成，也會(huì)被暫停，然后被放入就緒隊(duì)列的末尾，等待下一輪的調(diào)度，下一個(gè)任務(wù)則開始在 CPU 上運(yùn)行。這種調(diào)度策略確保了相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)之間的公平性，使得每個(gè)任務(wù)都能有機(jī)會(huì)得到執(zhí)行，避免了某個(gè)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間占用 CPU 而導(dǎo)致其他任務(wù)得不到處理的情況。例如在無(wú)人機(jī)的影像傳輸和一些輔助數(shù)據(jù)處理任務(wù)中，這些任務(wù)可能具有相同的優(yōu)先級(jí)，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度就可以保證它們都能得到合理的 CPU 時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和輔助數(shù)據(jù)的及時(shí)處理。

2.2優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度詳解

優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度的核心原理在于系統(tǒng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和響應(yīng)。在大疆無(wú)人機(jī)的 RTOS 系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都被賦予了一個(gè)特定的優(yōu)先級(jí)數(shù)值，數(shù)值越小表示優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度器會(huì)不斷地檢查就緒任務(wù)隊(duì)列，一旦發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，它就會(huì)立即采取行動(dòng)。首先，調(diào)度器會(huì)暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，將該任務(wù)的上下文信息（包括 CPU 寄存器的值、任務(wù)堆棧指針等）保存到該任務(wù)的堆棧中，這些上下文信息記錄了任務(wù)當(dāng)前的執(zhí)行狀態(tài)，以便后續(xù)任務(wù)恢復(fù)執(zhí)行時(shí)能夠從暫停的地方繼續(xù)。然后，調(diào)度器會(huì)從高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的堆棧中加載其上下文信息到 CPU 寄存器中，使 CPU 的狀態(tài)切換到高優(yōu)先級(jí)任務(wù)被暫停時(shí)的狀態(tài)，從而讓高優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲取 CPU 的控制權(quán)，開始執(zhí)行。

以飛控指令任務(wù)為例，在無(wú)人機(jī)飛行過程中，飛控系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)接收來(lái)自各種傳感器的數(shù)據(jù)，如陀螺儀、加速度計(jì)等，這些傳感器數(shù)據(jù)會(huì)被快速處理并生成相應(yīng)的飛控指令，這些飛控指令任務(wù)通常被設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)新的飛控指令任務(wù)就緒時(shí)，無(wú)論此時(shí)系統(tǒng)正在執(zhí)行什么低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，如一些非關(guān)鍵的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)，飛控指令任務(wù)都會(huì)立即搶占 CPU，確保無(wú)人機(jī)能夠及時(shí)根據(jù)新的指令調(diào)整飛行姿態(tài)，保證飛行的穩(wěn)定性和安全性。

實(shí)際案例：在大疆無(wú)人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)在飛行過程中遇到突發(fā)狀況，如前方突然出現(xiàn)障礙物需要快速避障時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的飛控任務(wù)就會(huì)通過優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制及時(shí)響應(yīng)。無(wú)人機(jī)上的避障傳感器（如雙目視覺傳感器、毫米波雷達(dá)等）一旦檢測(cè)到障礙物，會(huì)迅速將信號(hào)傳遞給 RTOS 系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)立即生成高優(yōu)先級(jí)的避障飛控任務(wù)。

此時(shí)，正在執(zhí)行的其他低優(yōu)先級(jí)任務(wù)（如實(shí)時(shí)圖傳畫面的一些圖像優(yōu)化處理任務(wù)）會(huì)被暫停，避障飛控任務(wù)搶占 CPU 控制權(quán)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)快速計(jì)算出避障所需的飛行姿態(tài)調(diào)整參數(shù)，并向無(wú)人機(jī)的電機(jī)、舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令，使無(wú)人機(jī)能夠迅速改變飛行方向，避開障礙物。待避障任務(wù)完成后，系統(tǒng)再恢復(fù)之前被暫停的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行，確保整個(gè)飛行過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。通過這種優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度機(jī)制，大疆無(wú)人機(jī)能夠在復(fù)雜的飛行環(huán)境中快速、準(zhǔn)確地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，保障飛行安全。

2.3時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度詳解

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度主要應(yīng)用于處理相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。在大疆嵌入式的 RTOS 系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)任務(wù)被設(shè)定為相同優(yōu)先級(jí)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為這些任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)就緒隊(duì)列，并為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)固定時(shí)長(zhǎng)的時(shí)間片。例如，假設(shè)影像傳輸任務(wù)和一些后臺(tái)數(shù)據(jù)記錄任務(wù)被設(shè)置為相同優(yōu)先級(jí)，它們會(huì)被放入同一個(gè)就緒隊(duì)列中。

圖片

調(diào)度器會(huì)按照隊(duì)列的順序，依次選取任務(wù)并讓其在 CPU 上運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片的時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，用于記錄該任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)達(dá)到時(shí)間片的長(zhǎng)度時(shí)，無(wú)論該任務(wù)是否完成當(dāng)前操作，系統(tǒng)都會(huì)暫停該任務(wù)的執(zhí)行，并將其放回就緒隊(duì)列的末尾。

然后，調(diào)度器從就緒隊(duì)列的頭部選取下一個(gè)任務(wù)，為其加載上下文信息到 CPU，使其開始運(yùn)行，如此循環(huán)往復(fù)。在影像傳輸任務(wù)中，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，任務(wù)會(huì)讀取一定量的影像數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線通信模塊將其發(fā)送出去；而在后臺(tái)數(shù)據(jù)記錄任務(wù)中，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，任務(wù)會(huì)將無(wú)人機(jī)的一些關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)（如電池電量、飛行高度等）記錄到存儲(chǔ)設(shè)備中。通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，這兩個(gè)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)能夠交替執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的持續(xù)傳輸和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的及時(shí)記錄。

與優(yōu)先級(jí)搶占的協(xié)同：在大疆無(wú)人機(jī)的實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行中，優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度并不是孤立存在的，而是相互配合，共同保障系統(tǒng)的高效運(yùn)行。優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度確保了關(guān)鍵任務(wù)能夠在第一時(shí)間得到處理，避免因低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的執(zhí)行而延誤關(guān)鍵任務(wù)的響應(yīng)，保障了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性。而時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度則在相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)了公平的 CPU 資源分配，保證了各個(gè)任務(wù)都能有機(jī)會(huì)執(zhí)行，提高了系統(tǒng)資源的利用率。

例如，在無(wú)人機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的飛行任務(wù)時(shí)，飛控任務(wù)作為最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，一旦有新的飛控指令產(chǎn)生，它會(huì)立即搶占 CPU，確保無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)得到及時(shí)調(diào)整。而在飛控任務(wù)執(zhí)行的間隙，當(dāng)沒有更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒時(shí)，相同優(yōu)先級(jí)的影像傳輸任務(wù)和其他輔助任務(wù)則通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，輪流使用 CPU。這樣，既保證了飛控任務(wù)等關(guān)鍵任務(wù)的優(yōu)先執(zhí)行，又兼顧了同級(jí)別任務(wù)的公平執(zhí)行，使得大疆無(wú)人機(jī)能夠在各種復(fù)雜的飛行場(chǎng)景下，穩(wěn)定、高效地完成飛行、數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)處理等多項(xiàng)任務(wù)。

Part3.任務(wù)調(diào)度中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1上下文切換技術(shù)

在大疆嵌入式的 RTOS 系統(tǒng)中，上下文切換是任務(wù)調(diào)度過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它就像是一場(chǎng)精心編排的舞臺(tái)換幕，確保每個(gè)任務(wù)都能在合適的時(shí)間登上 CPU 這個(gè) “舞臺(tái)”，并且在離開時(shí)保留好自己的 “演出狀態(tài)”，以便下次能夠無(wú)縫銜接。

當(dāng)系統(tǒng)決定進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)，首先要做的就是保存當(dāng)前任務(wù)的上下文。上下文主要包括 CPU 寄存器的狀態(tài)，這些寄存器就像是任務(wù)執(zhí)行過程中的 “小助手”，記錄著任務(wù)運(yùn)行時(shí)的各種關(guān)鍵信息，如程序計(jì)數(shù)器（PC），它指示著任務(wù)下一條要執(zhí)行的指令地址，就如同導(dǎo)航為任務(wù)指引前進(jìn)的方向；通用寄存器（如 R0 - R12 等），它們存儲(chǔ)著任務(wù)執(zhí)行過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)和操作數(shù)，是任務(wù)進(jìn)行各種計(jì)算和操作的重要依托；堆棧指針（SP），它指向任務(wù)的堆棧，堆棧則用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用的返回地址、局部變量等信息，是任務(wù)運(yùn)行時(shí)的 “數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)”。

為了更形象地理解，我們可以把任務(wù)比作一場(chǎng)正在進(jìn)行的戲劇表演，CPU 寄存器狀態(tài)就是演員們?cè)谖枧_(tái)上的站位、表情、動(dòng)作等表演狀態(tài)，而堆棧則是后臺(tái)存放道具、服裝等物品的倉(cāng)庫(kù)，堆棧指針就像是倉(cāng)庫(kù)管理員，知道每個(gè)道具和服裝放在哪里。當(dāng)需要切換到另一個(gè)任務(wù)時(shí)，就好比要暫停這場(chǎng)戲劇表演，讓另一組演員上臺(tái)表演。此時(shí)，舞臺(tái)工作人員（調(diào)度器）會(huì)迅速記錄下當(dāng)前演員們的表演狀態(tài)（保存 CPU 寄存器狀態(tài)），并把倉(cāng)庫(kù)里的物品整理好（保存堆棧信息），以便后續(xù)這場(chǎng)戲劇能夠繼續(xù)表演。

在保存上下文的過程中，通常會(huì)使用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閰R編語(yǔ)言能夠直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的上下文保存。例如，在 ARM 架構(gòu)的處理器中，會(huì)使用 PUSH 指令將寄存器的值壓入堆棧，從而實(shí)現(xiàn)寄存器狀態(tài)的保存。

完成當(dāng)前任務(wù)上下文的保存后，調(diào)度器會(huì)從就緒任務(wù)隊(duì)列中選擇下一個(gè)要執(zhí)行的任務(wù)。然后，開始恢復(fù)下一個(gè)任務(wù)的上下文，這就像是為新上臺(tái)的演員們布置舞臺(tái)、準(zhǔn)備道具。調(diào)度器會(huì)從選定任務(wù)的堆棧中讀取之前保存的寄存器值，并將其加載到 CPU 寄存器中，同時(shí)設(shè)置好堆棧指針，讓 CPU 切換到新任務(wù)的執(zhí)行環(huán)境。這樣，新任務(wù)就可以從上次暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行，就像戲劇表演無(wú)縫切換到了下一幕。

快速的上下文切換對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能至關(guān)重要。在大疆無(wú)人機(jī)的飛行過程中，任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間往往是以毫秒甚至微秒來(lái)計(jì)算的，如果上下文切換的時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行的延遲增加。例如，在飛控任務(wù)中，如果上下文切換時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)對(duì)飛行姿態(tài)的調(diào)整不及時(shí)，從而影響飛行的穩(wěn)定性和安全性；在影像傳輸任務(wù)中，過長(zhǎng)的上下文切換時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)的丟失或卡頓，影響圖像的實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量。因此，大疆通過優(yōu)化上下文切換的算法和流程，采用高效的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，盡可能地減少上下文切換的時(shí)間開銷，確保系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)各種任務(wù)的需求，保障無(wú)人機(jī)的高性能運(yùn)行。

3.2優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題及解決

①問題呈現(xiàn)：在多任務(wù)系統(tǒng)中，優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是一個(gè)可能出現(xiàn)的棘手問題，就像一場(chǎng)混亂的交通堵塞，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)被低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)阻擋，無(wú)法順利前行。在大疆嵌入式系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)任務(wù)共享資源時(shí)，就有可能發(fā)生優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。例如，假設(shè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)任務(wù)：任務(wù) A 是高優(yōu)先級(jí)的飛控指令處理任務(wù)，它負(fù)責(zé)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高；任務(wù) B 是中優(yōu)先級(jí)的影像數(shù)據(jù)處理任務(wù)，它負(fù)責(zé)對(duì)相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和傳輸；任務(wù) C 是低優(yōu)先級(jí)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)，它定期檢查無(wú)人機(jī)的各個(gè)設(shè)備狀態(tài)。

在某一時(shí)刻，任務(wù) C 正在執(zhí)行，并占用了一個(gè)共享資源（比如一個(gè)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的緩沖區(qū)）。此時(shí)，任務(wù) A 等待的事件發(fā)生，任務(wù) A 獲得 CPU 使用權(quán)開始執(zhí)行。但當(dāng)任務(wù) A 執(zhí)行到需要訪問任務(wù) C 占用的共享資源時(shí)，由于資源被占用，任務(wù) A 不得不掛起，等待任務(wù) C 釋放資源。而在任務(wù) C 執(zhí)行過程中，任務(wù) B 進(jìn)入就緒態(tài)，由于任務(wù) B 的優(yōu)先級(jí)高于任務(wù) C，任務(wù) B 剝奪任務(wù) C 的 CPU 使用權(quán)開始執(zhí)行。這樣就導(dǎo)致了高優(yōu)先級(jí)的任務(wù) A 需要等待低優(yōu)先級(jí)的任務(wù) C 釋放資源，而在等待期間，中優(yōu)先級(jí)的任務(wù) B 卻先于任務(wù) A 執(zhí)行，使得任務(wù) A 的執(zhí)行被延遲。

這種優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)大疆嵌入式系統(tǒng)的危害是巨大的。在無(wú)人機(jī)飛行過程中，飛控指令處理任務(wù)的延遲可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)飛行姿態(tài)的變化，增加飛行失控的風(fēng)險(xiǎn)；影像數(shù)據(jù)處理任務(wù)的延遲可能會(huì)導(dǎo)致圖像傳輸不及時(shí)，影響操作人員對(duì)無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)雖然優(yōu)先級(jí)較低，但如果因?yàn)閮?yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)導(dǎo)致其長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法執(zhí)行，也可能會(huì)使無(wú)人機(jī)在出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)無(wú)法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和處理，從而影響無(wú)人機(jī)的整體性能和安全性。

②解決方案分析：為了解決優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，大疆在其 RTOS 系統(tǒng)中采用了優(yōu)先級(jí)繼承和優(yōu)先級(jí)天花板等機(jī)制。

優(yōu)先級(jí)繼承機(jī)制就像是給低優(yōu)先級(jí)任務(wù) “穿上了高優(yōu)先級(jí)的外衣”，讓它暫時(shí)擁有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的權(quán)力，盡快完成資源的使用并釋放資源。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)任務(wù)占用了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)需要的資源時(shí)，并且高優(yōu)先級(jí)任務(wù)正在等待該資源，系統(tǒng)會(huì)臨時(shí)將低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提升到與高優(yōu)先級(jí)任務(wù)相同的水平。在上述例子中，當(dāng)任務(wù) A 等待任務(wù) C 占用的共享資源時(shí)，任務(wù) C 的優(yōu)先級(jí)會(huì)被提升到與任務(wù) A 相同。這樣，任務(wù) C 就不會(huì)被任務(wù) B 搶占 CPU 使用權(quán)，能夠盡快執(zhí)行并釋放資源，任務(wù) A 也就能盡快獲得資源繼續(xù)執(zhí)行，從而避免了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)帶來(lái)的延遲。當(dāng)任務(wù) C 釋放資源后，它的優(yōu)先級(jí)會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的低優(yōu)先級(jí)水平。

優(yōu)先級(jí)天花板機(jī)制則是從資源的角度出發(fā)，為每個(gè)共享資源設(shè)定一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)天花板。這個(gè)優(yōu)先級(jí)天花板等于或者高于所有可能訪問該資源的任務(wù)的最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)想要訪問某個(gè)共享資源時(shí)，如果它的優(yōu)先級(jí)低于該資源的優(yōu)先級(jí)天花板，系統(tǒng)會(huì)將其優(yōu)先級(jí)臨時(shí)提升到優(yōu)先級(jí)天花板的水平。在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，如果共享資源（如數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）的優(yōu)先級(jí)天花板被設(shè)定為高于任務(wù) A、B、C 的優(yōu)先級(jí)，那么當(dāng)任務(wù) C 訪問該資源時(shí)，任務(wù) C 的優(yōu)先級(jí)會(huì)被提升到優(yōu)先級(jí)天花板的水平。這樣，在任務(wù) C 占用資源期間，其他任務(wù)（如任務(wù) B）即使進(jìn)入就緒態(tài)，也無(wú)法搶占任務(wù) C 的 CPU 使用權(quán)，因?yàn)槿蝿?wù) C 此時(shí)的優(yōu)先級(jí)是最高的。只有當(dāng)任務(wù) C 釋放資源后，其優(yōu)先級(jí)才會(huì)恢復(fù)正常，其他任務(wù)才有機(jī)會(huì)競(jìng)爭(zhēng) CPU 使用權(quán)。通過這種方式，優(yōu)先級(jí)天花板機(jī)制有效地避免了優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，確保了高優(yōu)先級(jí)任務(wù)能夠及時(shí)獲得所需資源并執(zhí)行，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

Part4.嵌入式面試總結(jié)

4.1 RTOS 任務(wù)有哪些狀態(tài)

RTOS 中的任務(wù)通常有以下幾種狀態(tài)：就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)和掛起狀態(tài)。

就緒狀態(tài)表示任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行，只等待被調(diào)度器選中。當(dāng)一個(gè)任務(wù)被創(chuàng)建或者從阻塞狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，它會(huì)進(jìn)入就緒狀態(tài)。

運(yùn)行狀態(tài)表示任務(wù)正在執(zhí)行。在 RTOS 中，通常只有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，其他任務(wù)處于就緒、阻塞或掛起狀態(tài)。

阻塞狀態(tài)表示任務(wù)正在等待某個(gè)事件的發(fā)生，如等待一個(gè)信號(hào)量、等待一個(gè)消息隊(duì)列中的消息等。當(dāng)任務(wù)等待的事件發(fā)生時(shí)，它會(huì)從阻塞狀態(tài)恢復(fù)到就緒狀態(tài)。

掛起狀態(tài)表示任務(wù)被暫停執(zhí)行，不會(huì)被調(diào)度器選中。掛起狀態(tài)通常用于暫時(shí)停止一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行，以便進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)或其他操作。當(dāng)任務(wù)需要恢復(fù)執(zhí)行時(shí)，可以從掛起狀態(tài)恢復(fù)到就緒狀態(tài)。

不同的 RTOS 可能會(huì)有一些細(xì)微的差別，但總體上任務(wù)的狀態(tài)可以分為這幾種。了解任務(wù)的狀態(tài)對(duì)于開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序非常重要，因?yàn)樗梢詭椭_發(fā)人員更好地理解任務(wù)的執(zhí)行流程和系統(tǒng)的行為。

4.2 RTOS 任務(wù)狀態(tài)如何變化

RTOS 任務(wù)的狀態(tài)變化通常由以下幾種情況引起：

當(dāng)任務(wù)被創(chuàng)建時(shí)，它會(huì)進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待被調(diào)度器選中執(zhí)行。如果任務(wù)在執(zhí)行過程中需要等待某個(gè)事件的發(fā)生，如等待一個(gè)信號(hào)量、等待一個(gè)消息隊(duì)列中的消息等，它會(huì)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)等待的事件發(fā)生時(shí)，它會(huì)從阻塞狀態(tài)恢復(fù)到就緒狀態(tài)。

如果任務(wù)在執(zhí)行過程中被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占，它會(huì)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行完成后，調(diào)度器會(huì)重新選擇任務(wù)執(zhí)行，如果原來(lái)的任務(wù)仍然是最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，它會(huì)再次進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

如果任務(wù)被掛起，它會(huì)從就緒狀態(tài)或運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為掛起狀態(tài)。當(dāng)任務(wù)需要恢復(fù)執(zhí)行時(shí)，可以從掛起狀態(tài)恢復(fù)到就緒狀態(tài)。

此外，任務(wù)還可以通過調(diào)用特定的函數(shù)來(lái)主動(dòng)改變自己的狀態(tài)。例如，任務(wù)可以調(diào)用函數(shù)將自己掛起，或者調(diào)用函數(shù)將自己從阻塞狀態(tài)恢復(fù)到就緒狀態(tài)。

了解任務(wù)狀態(tài)的變化對(duì)于開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序非常重要，因?yàn)樗梢詭椭_發(fā)人員更好地理解任務(wù)的執(zhí)行流程和系統(tǒng)的行為，從而更好地進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)優(yōu)化。

4.3 RTOS 任務(wù)調(diào)度如何滿足實(shí)時(shí)性要求

為了滿足實(shí)時(shí)性要求，RTOS 的任務(wù)調(diào)度需要采取一系列措施。首先，任務(wù)調(diào)度算法需要能夠快速地響應(yīng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)變化和事件的發(fā)生。例如，當(dāng)一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)就緒時(shí)，調(diào)度器需要能夠立即暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，切換到高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行。

其次，任務(wù)調(diào)度需要保證關(guān)鍵任務(wù)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。這可以通過合理地設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、使用合適的調(diào)度算法以及優(yōu)化任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，對(duì)于一些關(guān)鍵的控制任務(wù)，可以將它們的優(yōu)先級(jí)設(shè)置得非常高，以確保它們能夠及時(shí)得到執(zhí)行。

此外，RTOS 還可以采用一些技術(shù)來(lái)提高任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性。例如，可以使用中斷處理機(jī)制來(lái)快速響應(yīng)外部事件的發(fā)生；可以使用定時(shí)器來(lái)精確地控制任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間；可以使用多核處理器來(lái)并行執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，提高系統(tǒng)的處理能力。