一個基于優(yōu)先級協(xié)作式調度的嵌入式操作系統(tǒng)

一、QuarkTS簡介

github鏈接：https://github.com/kmilo17pet/QuarkTS

開源協(xié)議：MIT license

QuarkTS是一款開源的嵌入式操作系統(tǒng)，旨在為小型嵌入式應用程序提供現(xiàn)代化的開發(fā)環(huán)境，幫助開發(fā)者構建穩(wěn)定、可預測的事件驅動型多任務軟件。其特點包括：

??優(yōu)先級協(xié)作式調度：任務自行管理生命周期，避免了搶占帶來的復雜性，減少了重入問題。

??時間控制：提供定時任務和軟件定時器，方便實現(xiàn)時間相關的操作。

??任務間通信機制：提供隊列、通知、事件標志等機制，實現(xiàn)不同任務之間的有效通信。

??狀態(tài)機支持：提供分層狀態(tài)機支持，簡化復雜邏輯的實現(xiàn)。

??協(xié)程：支持協(xié)程，提升代碼效率，簡化并發(fā)編程。

??AT命令行接口：提供簡潔的命令行接口，方便調試和交互。

??安全可靠：遵循MISRA C 2012和CERT編碼標準，并進行多項靜態(tài)分析檢查，確保代碼安全可靠。

二、優(yōu)先級協(xié)作式調度

優(yōu)先級協(xié)作式調度是一種任務調度策略，其中任務自行管理其生命周期，并在程序員指定的點進行任務切換。這種調度方式避免了搶占式調度中常見的復雜性，如資源競爭、死鎖和優(yōu)先級反轉等問題。

在優(yōu)先級協(xié)作式調度中，每個任務都有一個優(yōu)先級，但任務不會因外部事件或時間片到期而被強制中斷。

相反，任務會在完成其當前操作或到達程序員指定的切換點時主動放棄CPU，并將控制權交給其他任務。這種方式使得任務間的切換更加可控和可預測。

特點：

??減少重入問題：由于任務不會被其他任務隨意中斷，只在程序員允許的位置進行切換，因此降低了并發(fā)編程中常見的重入問題。

??簡化資源共享：任務間的資源競爭問題更容易管理，因為任務切換是可控的。

??避免死鎖：協(xié)作式調度避免了搶占式調度中常見的死鎖問題，因為任務間的切換是確定的。

其它常見任務調度策略還有：

搶占式調度

搶占式調度是一種任務調度策略，其中任務可以因外部事件（如中斷）或時間片到期而被強制中斷，并由更高優(yōu)先級的任務接管CPU。

特點：

??響應速度快：高優(yōu)先級任務可以立即搶占CPU，從而確保系統(tǒng)對緊急事件的快速響應。

??資源競爭：由于任務可以被搶占，因此需要額外的同步機制來管理資源競爭。

??復雜性高：搶占式調度增加了系統(tǒng)的復雜性，因為需要考慮任務切換的上下文保存和恢復、優(yōu)先級反轉等問題。

時間片調度

時間片調度是一種特殊的搶占式調度策略，其中每個任務被分配一個固定長度的時間片。當任務運行完其時間片后，無論其是否完成，都會被強制中斷，并將控制權交給下一個就緒的任務。

特點：

??公平性：通過為每個任務分配時間片，可以確保所有任務都有機會獲得CPU資源。

??上下文切換開銷：由于任務頻繁切換，因此需要額外的上下文保存和恢復開銷。

??適合多任務環(huán)境：時間片調度特別適用于需要同時處理多個任務的多用戶系統(tǒng)。

對比

優(yōu)先級協(xié)作式調度、搶占式調度和時間片調度各有優(yōu)缺點。

優(yōu)先級協(xié)作式調度適用于需要簡化資源共享和避免死鎖的系統(tǒng)，但響應速度可能不如搶占式調度快。

搶占式調度適用于需要快速響應緊急事件的系統(tǒng)，但增加了系統(tǒng)的復雜性和資源競爭問題。

時間片調度則提供了一種公平的CPU資源分配方式，適用于多任務環(huán)境，但會引入額外的上下文切換開銷。

三、QuarkTS應用場景

QuarkTS 的設計目標在于利用小巧、簡單而又最重要的穩(wěn)健實現(xiàn)實現(xiàn)其聲明功能，使其適合資源受限的微控制器，在此全搶先實時操作系統(tǒng)顯得過度，且加入它們會為固件開發(fā)添加不必要的復雜度。

此外，借助狀態(tài)機支持、協(xié)程、時間控制以及進程間通信原語，QuarkTS 提供了現(xiàn)代化環(huán)境，用于構建穩(wěn)定、可預測的事件驅動型多任務嵌入式軟件。

它們的模塊化和可靠性使這款操作系統(tǒng)成為低功耗設備上一系列應用高效開發(fā)的理想選擇，包括汽車控制系統(tǒng)、監(jiān)控及物聯(lián)網(wǎng)領域。