什么是時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度？時間片輪轉(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，需要同時處理多個事務(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)好各個事務(wù)之間的關(guān)系，并有條不紊的執(zhí)行各個事務(wù)，這就需要在編寫程序時采用合適的算法進(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)來管理各個事務(wù)。但由于系統(tǒng)要占用一定的內(nèi)部資源，這對本身資源非常有限的單片機(jī)來說是不現(xiàn)實的。所以，很少在單片機(jī)中采用操作系統(tǒng)，而是采用時間片輪詢調(diào)度的方法進(jìn)行各任務(wù)的管理。

時間片，簡單來說就是CPU分配給各個程序的時間，使各個程序從表面上看是同時進(jìn)行的，而不會造成CPU資源浪費。

在宏觀上：我們可以同時打開多個應(yīng)用程序，每個程序并行不悖，同時運行。但是在微觀上：由于只有一個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間片，每個程序輪流執(zhí)行。

時間片輪詢調(diào)度是一種古老而又簡單的算法，廣泛運用于無操作系統(tǒng)的微處理器中。在系統(tǒng)中，每個進(jìn)程被分配一個時間段，稱作時間片，即該進(jìn)程允許運行的時間。

如果在時間片結(jié)束時進(jìn)程還在運行，則CPU將被剝奪并分配給另一個進(jìn)程。如果進(jìn)程在時間片結(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)程用完它的時間片后，它被移到隊列的末尾。

時間片輪詢調(diào)度中有趣的一點是如何確定時間片的長度。從一個進(jìn)程切換到另一個進(jìn)程是需要一定時間的，因為要保存和裝入寄存器值及內(nèi)存映像等保護(hù)現(xiàn)場的工作，更新各種表格和隊列等。假如進(jìn)程切換，有時稱為上下文切換，需要的時間為5毫秒，再假設(shè)時間片長度設(shè)定為20毫秒，則在做完20毫秒有用的工作之后，CPU將花費5毫秒來進(jìn)行進(jìn)程切換。CPU時間的20%被浪費在了管理開銷上。

進(jìn)程切換時間一定的情況下，如果時間片長度設(shè)定的越小時，這種浪費更明顯。所以，時間片長度與CPU利用率是一對不可調(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，我們可以將時間片長度設(shè)得大一些，這時浪費的時間只有就會相對減小。但在一個分時系統(tǒng)中，各個任務(wù)對時間片長度的要求是不一致的。例如在一個系統(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，每幾毫秒要檢測一下串口緩沖區(qū)等……可見，各個任務(wù)對時間的依賴程度是不一樣的。如果時間片設(shè)得太長，某些對實時性要求高的任務(wù)可能得不到執(zhí)行，使得系統(tǒng)的實時性變差。

總之，時間片的設(shè)定應(yīng)滿足對實時性要求最高的那個任務(wù)，這樣才能確保每個任務(wù)都可以及時得到執(zhí)行而不被錯過。

時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法基本原理

在早期的時間片輪轉(zhuǎn)法中，系統(tǒng)將所有的就緒進(jìn)程按先來先服務(wù)的原則，排成一個隊列，每次調(diào)度時，把CPU分配給隊首進(jìn)程，并令其執(zhí)行一個時間片。

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

單片機(jī)時間片輪詢和時間調(diào)度的區(qū)別

單片機(jī)時間片輪詢和時間調(diào)度是兩個與任務(wù)管理相關(guān)的概念，它們在實現(xiàn)方式和目的上存在一些區(qū)別。

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

而時間調(diào)度則是一種更廣泛的概念，它涉及對任務(wù)執(zhí)行順序和時間的整體管理。時間調(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)時間和任務(wù)完成率。它可能考慮任務(wù)的優(yōu)先級、資源需求、依賴關(guān)系等因素，以確定任務(wù)的執(zhí)行順序和時間。時間調(diào)度不僅關(guān)注任務(wù)的公平運行，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)時間片輪詢是時間調(diào)度的一種具體實現(xiàn)方式，它關(guān)注于將時間分配給不同的任務(wù)以確保公平運行。而時間調(diào)度則是一個更廣泛的概念，涉及任務(wù)執(zhí)行順序和時間的整體管理，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)度和時間管理是一個復(fù)雜且多樣的領(lǐng)域，不同的系統(tǒng)和應(yīng)用可能會采用不同的方法和策略。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和系統(tǒng)特點來選擇合適的任務(wù)調(diào)度和時間管理方法。

審核編輯：黃飛