MCU 裸机时间片调度系统

1. 系统概述

本代码实现了一个基于 SysTick 定时器的合作式时间片轮询调度器，适用于资源受限的 Cortex-M 系列 MCU（如 STM32F4、GD32F4、N32G4 等）裸机开发环境。

核心思想：

使用 SysTick 定时器产生每 1ms 一次的中断，作为全局时间基准。
在中断中执行最高实时性任务。
在主循环中通过任务函数数组轮询方式，实现多个不同周期任务的准时执行。
无需操作系统，代码体积小、开销低、确定性强、易于调试和维护。

适用于：

电机控制、传感器采集、通信协议处理、状态机、LED 指示等典型嵌入式应用。

2. 整体架构图

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SysTick (1ms 中断)
    │
    ├── 更新 systick_cnt (全局毫秒计数器)
    └── 执行 Task1ms()（最高优先级任务）

主循环 (while(1))
    │
    └── 遍历 tasks[] 数组
            │
            └── 对于每个任务：
                    如果 (当前时间 - 上次执行时间 >= 周期)
                        更新上次执行时间
                        执行任务函数

3. 代码详细说明

3.1 头文件与任务声明

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#include "stm32f4xx.h"

// 任务函数声明
void Task1ms(void);
void Task10ms(void);
void Task100ms(void);
void Task1000ms(void);

所有任务函数必须无参数、无返回值（void）。
建议按执行频率命名，便于管理。

3.2 任务结构体与数组

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typedef struct {
    void (*func)(void);     // 任务函数指针
    uint32_t period_ms;     // 执行周期（单位：毫秒）
    uint32_t last_run;      // 上次执行的时间戳（基于 systick_cnt）
} Task_t;

// 任务调度表
Task_t tasks[] = {
    { Task10ms,    10,   0 },
    { Task100ms,  100,   0 },
    { Task1000ms,1000,   0 },
};

#define TASKS_COUNT (sizeof(tasks) / sizeof(tasks[0]))

优点：

添加新任务只需在数组中增加一行，无需修改调度逻辑。
所有周期一目了然，便于调整。
last_run 初始化为 0，上电后各任务会在对应时间点后首次执行。

3.3 全局时间基准

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volatile uint32_t systick_cnt = 0;  // 1ms 递增的全局计数器

volatile 防止编译器优化，确保中断与主循环可见一致值。
32 位计数器约 49.7 天溢出一次，使用减法比较方式可安全处理溢出。

3.4 SysTick 中断服务函数

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void SysTick_Handler(void)
{
    systick_cnt++;
    Task1ms();  // 最高实时性任务在此执行
}

每 1ms 执行一次。
建议只放执行时间极短（<50~100μs）的任务，如：
- PWM 占空比更新
- 控制环计算
- ADC 触发
- 编码器采样

3.5 主函数

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int main(void)
{
    SystemClock_Config();                  // 系统时钟初始化
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000); // 配置 1ms 中断

    GPIO_Init();
    UART_Init();

    // 初始化任务上次执行时间（防止启动瞬间全部执行）
    for (uint32_t i = 0; i < TASKS_COUNT; i++) {
        tasks[i].last_run = systick_cnt;
    }

    while (1)
    {
        uint32_t current = systick_cnt;

        // 遍历所有任务
        for (uint32_t i = 0; i < TASKS_COUNT; i++) {
            if (current - tasks[i].last_run >= tasks[i].period_ms) {
                tasks[i].last_run = current;
                tasks[i].func();
            }
        }

        // __WFI();  // 可选：空闲时进入睡眠，降低功耗
    }
}

关键点：

current - last_run >= period_ms：防溢出安全比较方式。
主循环仅负责调度，可执行复杂逻辑（如浮点运算、字符串处理）。
可开启 __WFI() 实现低功耗待机，仅由 SysTick 中断唤醒。

3.6 示例任务实现

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void Task1ms(void)     { /* 高实时任务 */ }
void Task10ms(void)    { /* 传感器读取、滤波、协议处理 */ }
void Task100ms(void)   { /* LED 闪烁、按键扫描 */ }
void Task1000ms(void)  { /* 串口打印日志、心跳包、参数保存 */ }

4. 使用指南

4.1 添加新任务

声明函数原型：void NewTask(void);
实现函数体。
在 tasks[] 数组中添加一行：
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```
{ NewTask, 50, 0 },  // 每 50ms 执行一次
```

4.2 调整任务优先级

要求最高实时性的任务 → 放入 SysTick_Handler 中（如 Task1ms）。
次高优先级 → 放在周期较小的任务（例如 5ms、10ms）。
低优先级、非实时任务 → 周期较大（如 500ms、1000ms）。

4.3 性能与实时性注意事项

任何单个任务执行时间不应超过其周期的 50%（建议 <30%），避免阻塞其他任务。
中断中任务总执行时间建议 <100μs。
若任务执行时间较长，可拆分为状态机，分多次完成。

5. 优点总结

特性	说明
确定性强	所有任务周期固定，无抢占延迟
资源占用极低	无栈切换、无信号量、无队列
易调试	单线程逻辑，断点跟踪简单
可维护性高	任务数组集中管理，新增/删除方便
低功耗支持	支持 __WFI() 睡眠

6. 适用场景与升级路径

适用：中小型嵌入式系统（<20 个任务，实时要求中等）

不适用：复杂多任务、需要优先级抢占、动态创建任务的场景

升级路径：

需要抢占式调度 → 移植 FreeRTOS
需要消息队列、信号量 → 使用 RT-Thread 或 uCOS

本调度框架已在众多工业控制、仪表、消费电子裸机项目中稳定运行，是嵌入式开发者首选的时间管理方案。

源码：

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// main.c
#include "stm32f4xx.h"

// ==================== 任务函数声明 ====================
void Task1ms(void);      // 每 1ms 执行（放在中断中）
void Task10ms(void);     // 每 10ms 执行
void Task100ms(void);    // 每 100ms 执行
void Task1000ms(void);   // 每 1000ms 执行

// ==================== 任务结构体定义 ====================
typedef struct {
    void (*func)(void);   // 任务函数指针
    uint32_t period_ms;   // 执行周期（毫秒）
    uint32_t last_run;    // 上次执行时间（基于 systick_cnt）
} Task_t;

// ==================== 任务数组 ====================
// 注意：Task1ms 单独处理（放在中断中），其余放在主循环数组中
Task_t tasks[] = {
    { Task10ms,    10,   0 },
    { Task100ms,  100,   0 },
    { Task1000ms,1000,   0 },
    // 如需添加新任务，直接在此添加一行即可
    // { NewTask,    50,   0 },
};

#define TASKS_COUNT (sizeof(tasks) / sizeof(tasks[0]))

// ==================== 全局变量 ====================
volatile uint32_t systick_cnt = 0;  // 1ms 时间基准计数器

// ==================== SysTick 中断服务函数 ====================
void SysTick_Handler(void)
{
    systick_cnt++;

    // 高实时性任务直接放在这里执行（执行时间必须极短！）
    Task1ms();
}

// ==================== 主函数 ====================
int main(void)
{
    // 系统时钟配置（例如 168MHz）
    SystemClock_Config();

    // 配置 SysTick 为 1ms 中断
    SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000);

    // 初始化外设（GPIO、UART 等）
    GPIO_Init();
    UART_Init();

    // 初始化任务数组的 last_run（可选，防止启动瞬间全部执行）
    for (uint32_t i = 0; i < TASKS_COUNT; i++) {
        tasks[i].last_run = systick_cnt;
    }

    while (1)
    {
        uint32_t current = systick_cnt;

        // 遍历任务数组，检查是否到达执行时间
        for (uint32_t i = 0; i < TASKS_COUNT; i++) {
            if (current - tasks[i].last_run >= tasks[i].period_ms) {
                tasks[i].last_run = current;  // 更新上次执行时间
                tasks[i].func();              // 执行任务
            }
        }

        // 主循环空闲时可进入低功耗模式
        // __WFI();  // 等待中断唤醒，节省功耗
    }
}

// ==================== 任务函数实现示例 ====================
void Task1ms(void)
{
    // 高优先级、硬实时任务
    // 示例：电机 PWM 更新、ADC 采样触发、控制环计算等
    // 注意：执行时间建议 < 50~100us
}

void Task10ms(void)
{
    // 中等频率任务
    // 示例：传感器数据读取、滤波、PID 计算、CAN 报文处理等
}

void Task100ms(void)
{
    // 低频任务
    // 示例：LED 闪烁、按键消抖扫描、状态机更新
    static uint8_t led_state = 0;
    if (led_state) {
        GPIOC->BSRR = GPIO_PIN_13;                    // 点灯（假设低电平点亮）
    } else {
        GPIOC->BSRR = (uint32_t)GPIO_PIN_13 << 16;     // 灭灯
    }
    led_state = !led_state;
}

void Task1000ms(void)
{
    // 1秒周期任务
    // 示例：心跳包发送、运行时间统计、参数保存、串口打印日志等
}