任务调度器

上节课问题

用谷歌的最新模型问：

​ 提问方式：背景+讲解+问题 问题越详细越好

举例：

​ 我是一个刚学习嵌入式开发的小白 请你帮我讲解一下什么是硬件抽象层 什么是HAL库 同样都是调用API 为什么HAL库比标准库更好一致

答案：

​ HAL就是一个逻辑层 1. 它像一个翻译官或者适配器，提供接口 2.提高了可移植性

举例：1.点灯 不需要再管GPIO的模型了

2. F0系列的代码很容易移植到F4系列

一、任务调度器概念

• 为什么要减速：因为while循环扫描太快了，我们不需要那么频繁的执行外设程序

准确的告诉你什么时候干什么，官家

我们嵌入式资源有限，肯定要间断执行

1. 定时执行任务（按键10ms 数码管50ms 超声波100ms ADDA 80ms ds1302160ms ds18b20 300ms）
2. 循环执行（都在while里面都是循环的）
3. 非阻塞设计（没有while）
4. 模块化编程

二、如何撰写任务调度器

1. C语言结构体基础

1. 结构体定义

struct Task{//关键字+结构体名字
    
    
}

2. 结构体内存布局

• 连续存储
• 结构体的地址是自身大小的整数倍

3. 变量声明与初始化（我定义之后肯定要求声明，这个定义结构体和普通的定义变量还有区别，就是说它定义结构体定义的是一种数据类型，还忒再按照这个类型去声明）

//声明
//1.数据类型表示为struct Task
struct Task{
    
    
};
struct Task task1={"",""}//用一个列表去按顺序定义

//2. 用typedef定义一个数据类型
typedef struct{
    
}Task_t
Task_t task2={"",""}//挺常用的，调用时就只需要在前面加上Task_t
//3. 用初始化进行调控
Task_t task3 ={
    "name" = "压力检测"，
    "priority" = 3;
}//不推荐，因为定义和声明合在一起了，一点都不直观

2.访问结构体成员

！！！点task1.name访问的就是结构体成员，而箭头运算符task->name访问的是结构体指针的成员

//使用点运算符访问成员
Task_t task={“显示刷新"，5}；
printf（“任务名称：%s\n"，task.name);
task.priority=4；//修改优先级
//使用箭头运算符访问指针成员
Task_t *p_task = &task;
printf(“任务优先级：%d\n"，p_task->priority）;
p_task->priority++；//增加优先级

现在对我的C语言进行补充：

//首先在这段代码里，task是声明后的结构体变量，而p_task是指针，Task_t *是类型声明，也就是告诉编译器p_task的类型是Task_t的结构体指针,取地址符&是取变量task的地址，取到的地址才能作为指针变量
//所以经过声明（或者说是初始化），p_task就是结构体变量task的指针，可通过->访问结构体成员，而task就是结构体变量，可以通过.来访问结构体成员
//如果我硬要通过点来访问，我可以通过解运算符星号(*p_task).priority来进行访问，也就是这样进行解算
//对比着普通的访问方式
//普通变量指针：
int num  = 10;
int *p_num = #
*p_num = 20;
printf("%d",*p_num);
//同样我们可以看出，在普通变量定义结构体指针时同样需要int*以及取地址符号&进行配合
//可以看出在普通变量指针中，只能通过*作为解引用运算符进行数据读取
//结构体变量指针：
Task_t task = {"显示刷新", 5};
Task_t *p_task = &task;
p_task->priority = 4;  // 使用箭头操作符访问成员
// 或者
(*p_task).priority = 4;  // 使用解引用+点操作符也可以
//在结构体变量指针中，可以通过这两种方法同时进行引用

• 为什么要用地址去做（经典问题）

函数有时需要传入参数进行处理，有的函数只需要传入数据（也就是变量）进行运算然后返回一个特定的值，在这种情况下，我不需要修改传入参数的值，所以我直接传入变量

蓝桥杯里：float rd_temperature unsigned int Ut_Wave_Data

而有些函数需要修改我传入数据的值，这时候就需要传入指针，最典型的例子：

Read_Rtc(*Rtc);

//值传递，显示出普通变量以及指针变量不同的效果
#include <stdio.h>

// 值传递示例 - 计算平方
int square(int num) {
    int result = num * num;
    num = 0;  // 这里修改参数不会影响原始变量
    return result;
}

// 结构体值传递示例
typedef struct {
    char name[50];
    int priority;
} Task_t;

// 显示任务信息但不修改它
void displayTask(Task_t task) {
    printf("任务名称: %s, 优先级: %d\n", task.name, task.priority);
    task.priority = 99;  // 这个修改只影响局部副本，不影响原始结构体
}

int main() {
    int x = 5;
    printf("x的平方是: %d\n", square(x));
    printf("函数调用后x的值: %d\n", x);  // 输出5，x未被修改
    
    Task_t myTask = {"数据备份", 3};
    displayTask(myTask);
    printf("函数调用后优先级: %d\n", myTask.priority);  // 输出3，未被修改
    
    return 0;
}

//指针传递
#include <stdio.h>

// 指针传递示例 - 交换两个数
void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

// 结构体指针传递示例
typedef struct {
    char name[50];
    int priority;
} Task_t;

// 提升任务优先级
void upgradePriority(Task_t *task) {
    // 使用箭头运算符访问指针成员
    task->priority += 1;
    printf("任务 \"%s\" 优先级已提升到 %d\n", task->name, task->priority);
}

int main() {
    int m = 10, n = 20;
    printf("交换前: m = %d, n = %d\n", m, n);
    
    swap(&m, &n);  // 传递地址
    printf("交换后: m = %d, n = %d\n", m, n);  // 输出 m = 20, n = 10
    
    Task_t myTask = {"系统更新", 2};
    printf("原始优先级: %d\n", myTask.priority);
    
    upgradePriority(&myTask);  // 传递结构体地址
    printf("函数调用后优先级: %d\n", myTask.priority);  // 输出3，被修改
    
    return 0;
}

所以指针传递可以改变原始数据，也就是传进来的数据

指针传递的另一个优点：

效率高

>#include <stdio.h>
>#include <time.h>

>typedef struct {
   int data[10000];
   char text[50000];
>} BigStruct_t;

>void processByValue(BigStruct_t data) {
   // 简单处理避免优化
   data.data[0] += 1;
>}

>void processByPointer(BigStruct_t *data) {
   // 相同的操作
   data->data[0] += 1;
>}

>int main() {
   BigStruct_t bigData = {0};
   clock_t start, end;
   int i, iterations = 100000;
   
   // 测试值传递
   start = clock();
   for(i = 0; i < iterations; i++) {
       processByValue(bigData);
   }
   end = clock();
   printf("值传递耗时: %f 秒\n", (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC);
   
   // 测试指针传递
   start = clock();
   for(i = 0; i < iterations; i++) {
       processByPointer(&bigData);
   }
   end = clock();
   printf("指针传递耗时: %f 秒\n", (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC);
   
   return 0;
>}

实验结果：

指针传递用时：几秒钟

值传递用时：几分钟

3. 结构体拓展

结构体嵌套以及结构体数组//暂时先不重点了解，等到后面深入了再了解

4.调度器结构体详解

//定义任务结构体
typedef struct {
    void (*task_func)(void);  // 函数指针
    uint32_t rate_ms;
    uint32_t last_run;
} scheduler_task_t;

//关于函数指针的写法
//普通指针
int *p_num;
//结构体指针
Task *p_task;  // Task结构体已经用typedef提前声明过了
//函数指针
void (*task_func)(void);  // 函数指针
//函数定义
void task_func(void) {
    // 函数实现代码
}
//如果函数传递了参数
void task_func(int time){}
//函数指针
void (*task_func_ptr)(int)
//使用时
void (*my_function_ptr)(int) = task_func;
// 使用函数指针调用函数
my_function_ptr(1000);  // 等同于task_func(1000);

• 问题：为什么普通指针（包括结构体指针）需要解码后引用，函数指针不需要解码后引用,函数指针不需要加*

// 普通数据指针
int x = 10;
int *p_num = &x;
*p_num = 20;  // 需要使用*解引用操作符

// 函数指针
void (*my_function_ptr)(int) = task_func;
my_function_ptr(1000);  // 直接调用，无需使用*

解答：1. 语法上便利 2. 实际上两种写法完全等价

my_function_ptr(1000);     // 简洁形式
(*my_function_ptr)(1000);  // 显式解引用形式

本质上，数据指针指向的是内存，而函数指针就是一个入口点，直接就可以使用，使用时不会产生歧义

具体分析：

1. task_func: void (*task_func)(void)

​ 函数指针，指向任务的执行函数，在调度时被调用

2. rate_ms任务执行周期
3. last_run记录上一次执行的时间戳

5.具体代码

//定义任务结构体
typedef struct {
    void (*task_func)(void);  // 函数指针
    uint32_t rate_ms;
    uint32_t last_run;
} scheduler_task_t;

//通过任务结构体定义一下数组结构体
//任务数组结构体是辅助调度器进行轮询工作的
// 全局变量，用于存储任务数量
uint8_t task_num;

// 静态任务数组，每个任务包含任务函数、执行周期（毫秒）和上次运行时间（毫秒）
static scheduler_task_t scheduler_task[] =
{
    {Led_Proc, 1, 0},    // LED控制任务：周期1ms
    {Key_Proc, 10, 0},   // 按键扫描任务：周期10ms
    {Sensor_Proc, 100, 0}, // 传感器读取任务：周期100ms
    {Comm_Proc, 50, 0}   // 通信处理任务：周期50ms
};

//初始化函数
/**
 * @brief 调度器初始化函数
 * 计算任务数组的元素个数，并将结果存储在 task_num 中
 */
void scheduler_init(void)
{
    // 计算任务数组的元素个数，并将结果存储在 task_num 中
    task_num = sizeof(scheduler_task) / sizeof(scheduler_task_t);
}//task_num是全局变量可以进行改变

/**
 * @brief 调度器运行函数
 * 遍历任务数组，检查是否有任务需要执行。如果当前时间已经超过任务的执行周期，则执行该任务并更新上次运行时间
 */
void scheduler_run(void)
{
    // 遍历任务数组中的所有任务
    for (uint8_t i = 0; i < task_num; i++)
    {
        // 获取当前的系统时间（毫秒）
        uint32_t now_time = HAL_GetTick();

        // 检查当前时间是否达到任务的执行时间
        if (now_time >= scheduler_task[i].rate_ms + scheduler_task[i].last_run)
        {
            // 更新任务的上次运行时间为当前时间
            scheduler_task[i].last_run = now_time;

            // 执行任务函数
            scheduler_task[i].task_func();
        }
    }
}

HAL_GetTick()函数的调用使用

• 后面的代码为什么就不解释了，因为我感觉实战中会用就行了

三、实例代码：

#include "scheduler.h"

// 全局变量，用于存储任务数量
uint8_t task_num;

typedef struct {
    void (*task_func)(void);
    uint32_t rate_ms;
    uint32_t last_run;
} task_t;

// 任务函数声明
void led_proc(void);
void key_proc(void);
void sensor_proc(void);
void comm_proc(void);

// 静态任务数组，每个任务包含任务函数、执行周期（毫秒）和上次运行时间（毫秒）
static task_t scheduler_task[] =
{
    {led_proc, 1000, 0},   // LED闪烁任务：周期1000ms (1秒)
    {key_proc, 10, 0},     // 按键扫描任务：周期10ms
    {sensor_proc, 100, 0}, // 传感器读取任务：周期100ms
    {comm_proc, 50, 0}     // 通信处理任务：周期50ms
};

/**
 * @brief 调度器初始化函数
 * 计算任务数组的元素个数，并将结果存储在 task_num 中
 */
void scheduler_init(void)
{
    // 计算任务数组的元素个数，并将结果存储在 task_num 中
    task_num = sizeof(scheduler_task) / sizeof(task_t);
}

/**
 * @brief 调度器运行函数
 * 遍历任务数组，检查是否有任务需要执行。如果当前时间已经超过任务的执行周期，则执行该任务并更新上次运行时间
 */
void scheduler_run(void)
{
    // 遍历任务数组中的所有任务
    for (uint8_t i = 0; i < task_num; i++)
    {
        // 获取当前的系统时间（毫秒）
        uint32_t now_time = HAL_GetTick();

        // 检查当前时间是否达到任务的执行时间
        if (now_time >= scheduler_task[i].rate_ms + scheduler_task[i].last_run)
        {
            // 更新任务的上次运行时间为当前时间
            scheduler_task[i].last_run = now_time;

            // 执行任务函数
            scheduler_task[i].task_func();
        }
    }
}

// 任务函数实现
void led_proc(void)
{
    // 切换LED状态
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
}

void key_proc(void)
{
    // 读取按键状态
    if (HAL_GPIO_ReadPin(KEY_GPIO_Port, KEY_Pin) == GPIO_PIN_RESET)
    {
        // 按键被按下，执行相应操作
    }
}

void sensor_proc(void)
{
    // 读取传感器数据
    uint16_t sensor_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    
    // 处理传感器数据
}

void comm_proc(void)
{
    // 处理通信数据
    if (HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_READY)
    {
        // 发送数据
    }
}

四、进阶代码

1. 优先级调度

//优先级调度
//为任务添加优先级属性，使重要任务优先执行。在某些场景下，我们需要确保关键任务能够及时响应，如安全监控、通信处理等。
typedef struct {
    void (*task_func)(void);
    uint32_t rate_ms;
    uint32_t last_run;
    uint8_t priority;  // 优先级，数值越小优先级越高
} priority_task_t;

// 任务按优先级排序函数
void sort_tasks_by_priority(void) {
    // 使用冒泡排序按优先级排序
    for (uint8_t i = 0; i < task_num - 1; i++) {
        for (uint8_t j = 0; j < task_num - i - 1; j++) {
            if (scheduler_task[j].priority > scheduler_task[j + 1].priority) {
                // 交换任务
                priority_task_t temp = scheduler_task[j];
                scheduler_task[j] = scheduler_task[j + 1];
                scheduler_task[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

2. 低功耗管理

//低功耗管理
//通过调度器实现低功耗模式的切换与管理。在电池供电的设备中，电源管理至关重要。当没有任务需要立即执行时，系统可以进入低功耗模式以延长电池寿命。
// 在调度器运行函数中添加低功耗管理
void scheduler_run(void)
{
    bool all_tasks_idle = true;
    uint32_t time_to_next_task = UINT32_MAX;
    uint32_t now_time = HAL_GetTick();
    
    // 检查是否有任务需要立即执行
    for (uint8_t i = 0; i < task_num; i++)
    {
        uint32_t time_to_task = (scheduler_task[i].last_run + 
                                scheduler_task[i].rate_ms) - now_time;
                                
        if (time_to_task == 0) {
            // 有任务需要立即执行
            scheduler_task[i].last_run = now_time;
            scheduler_task[i].task_func();
            all_tasks_idle = false;
        } else if (time_to_task < time_to_next_task) {
            // 记录最近需要执行的任务时间
            time_to_next_task = time_to_task;
        }
    }
    
    // 如果所有任务都不需要立即执行，进入低功耗模式
    if (all_tasks_idle && time_to_next_task > MIN_SLEEP_TIME) {
        // 进入低功耗模式直到下一个任务时间或外部中断
        HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
    }
}

3. 动态任务管理

//动态任务管理
//在运行时添加、删除或修改任务的能力。静态任务数组在某些场景下可能不够灵活，比如根据系统状态需要动态增减任务时。动态任务管理使调度器更加灵活。
#define MAX_TASKS 10

typedef struct {
    void (*task_func)(void);
    uint32_t rate_ms;
    uint32_t last_run;
    bool active;  // 任务是否激活
} dynamic_task_t;

dynamic_task_t scheduler_task[MAX_TASKS];
uint8_t task_num = 0;

// 添加任务
uint8_t add_task(void (*task_func)(void), uint32_t rate_ms) {
    if (task_num >= MAX_TASKS) {
        return 0xFF; // 任务已满
    }
    
    scheduler_task[task_num].task_func = task_func;
    scheduler_task[task_num].rate_ms = rate_ms;
    scheduler_task[task_num].last_run = HAL_GetTick();
    scheduler_task[task_num].active = true;
    
    return task_num++;
}

// 删除任务
bool remove_task(uint8_t task_id) {
    if (task_id >= task_num) {
        return false;
    }
    
    // 移动数组元素以填补空缺
    for (uint8_t i = task_id; i < task_num - 1; i++) {
        scheduler_task[i] = scheduler_task[i + 1];
    }
    
    task_num--;
    return true;
}

// 暂停任务
bool pause_task(uint8_t task_id) {
    if (task_id >= task_num) {
        return false;
    }
    
    scheduler_task[task_id].active = false;
    return true;
}

// 恢复任务
bool resume_task(uint8_t task_id) {
    if (task_id >= task_num) {
        return false;
    }
    
    scheduler_task[task_id].active = true;
    scheduler_task[task_id].last_run = HAL_GetTick();
    return true;
}

课下作业

1. 为什么for循环中的两句代码不能调换顺序

2. 将V4T模版修改为调度器模版