FreeRTOS作为一种轻量级实时操作系统，其调度机制设计以高效性与确定性为核心。该系统内置可裁剪的调度器，默认采用基于优先级的抢占式调度，并辅以时间片轮转及协作式调度选项，旨在确保实时性要求下最高优先级的就绪任务始终能够及时获得CPU执行权。

以下将从核心概念、调度模式、触发时机及工作流程等方面展开系统说明。

一、核心概念基础

深入理解调度机制前，需明确以下三个基础概念：

1.任务状态

FreeRTOS中任务主要存在于四种状态，调度本质是推动任务在这些状态间迁移：

就绪态：任务已具备执行条件，等待被调度器选择。

运行态：任务正在CPU上执行（单核系统中同一时刻仅有一个任务处于此状态）。

阻塞态：任务因等待事件（如延时、信号量、消息队列）而暂停，事件满足后重返就绪队列。

挂起态：任务被显式暂停，仅能通过API调用恢复，不会自动参与调度。

2.任务优先级

优先级遵循数值越大、优先级越高的原则（默认可配置）。

优先级数量由`configMAX_PRIORITIES`限定，系统为每一优先级维护独立的就绪任务列表，从而提升调度器查找效率。

3.任务控制块（TCB）

每个任务对应一个TCB结构，用于保存任务上下文（寄存器、程序计数器等）、优先级、状态及堆栈指针等关键信息。调度器通过维护与切换TCB实现任务调度。

二、调度模式详解

FreeRTOS支持三种调度模式，其中“抢占式+时间片轮转”为最常见组合。

1.抢占式调度

此为默认模式（`configUSE_PREEMPTION=1`），其核心机制是：当更高优先级任务进入就绪态时，立即抢占当前正在运行的低优先级任务。

运作过程示例：

低优先级任务A正在执行。

高优先级任务B因外部中断被唤醒并进入就绪态。

调度器立即保存任务A的上下文，加载任务B的上下文，切换至任务B执行。

任务B执行完毕或主动阻塞后，调度器恢复任务A继续执行。

特点：实时性高，适用于对响应延迟敏感的场景。

2.时间片轮转调度

在同优先级任务间启用（`configUSE_TIME_SLICING=1`，默认开启），任务以系统节拍（Tick）为时间片轮流执行。

关键机制：

时间片长度等于Tick周期（如`configTICK_RATE_HZ=1000`时，时间片为1ms）。

仅在Tick中断触发且无更高优先级任务就绪时，进行同优先级任务切换。

若任务进入阻塞态，则立即让出CPU，不占用完整时间片。

3.协作式调度

此为非抢占模式（`configUSE_PREEMPTION=0`），任务仅能在主动释放CPU时触发调度。

释放CPU的方式：

调用`taskYIELD()`主动让出。

调用如`vTaskDelay()`、`xQueueReceive()`等进入阻塞态。

适用场景：对实时性要求极低、且希望减少上下文切换开销的简单应用，实际使用较少。

三、调度触发时机

调度器在以下两类情况下触发任务切换：

1.同步触发（任务主动行为）

任务调用阻塞类API（如`vTaskDelay()`、`xSemaphoreTake()`）。

任务调用`taskYIELD()`主动让出CPU。

任务被删除、挂起或优先级被修改且影响当前最高优先级。

2.异步触发（由外部或系统事件引发）

更高优先级任务从阻塞态恢复为就绪态。

系统Tick中断触发时间片轮转。

在中断服务程序（ISR）中调用`xTaskResumeFromISR()`等唤醒高优先级任务（必须使用带`FromISR`后缀的API）。

四、调度器工作流程（简化）

1.调用`vTaskStartScheduler()`启动调度器，初始化就绪列表与Tick定时器。

2.查找最高优先级的非空就绪任务列表，取出首个任务。

3.加载该任务上下文，使其进入运行态。

4.等待调度触发条件出现。

5.触发后保存当前任务上下文至其TCB与堆栈。

6.重新确定最高优先级就绪任务并加载其上下文，完成切换。

7.重复步骤3–6，实现持续调度。

总结

FreeRTOS调度机制以优先级驱动为核心，通过抢占式调度保障高实时性，结合时间片轮转实现同优先级任务的公平执行。调度可由任务主动行为或系统事件异步触发，其本质是通过对任务TCB的保存与恢复，完成CPU资源的合理分配与切换。该机制在嵌入式实时系统中兼顾了响应效率与资源可控性，是FreeRTOS得以广泛应用的关键之一。