核心速览

调度的概念

Zephyr 是一个多线程操作系统。线程是调度的基本单位。每个线程都是一个独立的执行流，拥有自己的上下文（如程序计数器、寄存器、栈空间）和优先级。内核的工作就是管理这些线程，并根据调度策略在它们之间切换。

• 调度程序确定哪个线程被允许在任何时间点执行；这个线程被称为当前线程。

• 调度程序可以在多个时间点更改当前线程的身份，也就是将 CPU 的执行从一个线程切换到另一个线程。这些时间点称为*重新调度点。

• 当线程自愿启动将自身转换为挂起或等待状态的操作时，它就会进入睡眠状态。

每当调度程序更改当前线程的身份，或者当前线程的执行被 ISR 替换时，内核首先会保存当前线程的 CPU 寄存器值。当线程稍后恢复执行时，这些寄存器值会被恢复。

调度算法

内核调度程序会选择优先级最高的就绪线程作为当前线程。当存在多个相同优先级的就绪线程时，调度程序会选择等待时间最长的线程。

三种调度算法

Zephyr 支持多种调度算法，可以根据应用需求进行选择：

1. 传统调度器 (Traditional Scheduler)：这是默认的调度器，实现了上述的“基于优先级的抢占式调度”和“时间分片”。它使用多个就绪队列，每个优先级一个队列，查找下一个要运行的线程非常高效。
2. 最早截止期优先调度 (Earliest Deadline First, EDF)：
   • 这是一种高级的实时调度算法，通过 CONFIG_SCHED_DEADLINE 启用。
   • 在这种模式下，调度器选择线程的标准不再是固定的优先级，而是截止时间 (Deadline)。拥有最早截止时间的线程将被优先执行。
   • 这对于需要保证任务在特定时间点前必须完成的硬实时系统（Hard Real-time Systems）非常有用。
3. Meta-IRQ 调度：这是一种特殊的、高优先级的调度方式，允许线程在比所有常规线程都高的优先级（但低于硬件中断）上运行，用于处理非常紧急但又不能在中断服务程序（ISR）中完成的任务。

ISR 的执行优先于线程的执行，因此除非中断已被屏蔽，否则当前线程的执行可能随时被 ISR 取代。这适用于协作型线程和抢占式线程。

就绪队列三种实现

1. 简单链表（CONFIG_SCHED_SIMPLE）
   • 线程数很少（3个以内）、优先级变化不频繁场景
   • 占用极小代码空间（约2KB）
   • 插入/删除操作非常快O(n)
   • 线程数增多时，查找最高优先级线程会变慢

2. 优先级队列（CONFIG_SCHED_MULTIQ）
   • 优先级种类不多、线程数适中
   • RAM 占用较多，每种优先级
   • 查找、调度操作在常数时间级 O(1)
   • 不适用于需按截至时间排序、多核亲和性场景

3. 红黑树（CONFIG_SCHED_SCALABLE）
   • 线程数较多（几十、上百甚至更多）
   • 代码体积约2KB
   • 插入/删除操作稍慢
   • 线程数增多时，查找/插入/删除性能在对数时间级O(log n)

一句话模型 “最小数字优先，协作不抢占，同级看时间片，高优来就走，没人跑 Idle。”

调度方式

协作式时间分片

在协作式调度 (Cooperative Scheduling)中，一个正在运行的线程将一直持有 CPU，直到它主动放弃 CPU 使用权。调度器本身不会强制中断线程。

为了克服这些问题，协作线程可以不时主动放弃 CPU，以允许其他线程执行。线程可以通过两种方式放弃 CPU：

• 调用 k_yield(): 将线程置于调度程序的就绪线程优先级列表的末尾;
• 调用 k_sleep(): 线程在指定的时间内处于非就绪状态;

简单比喻： 就像一个开放的讨论组，一个成员（线程）可以一直发言，直到他自己觉得说完了，主动停下来让给别人。如果有人滔滔不绝不肯停，其他人就永远没机会说话。

抢占式时间分片

在抢占式调度 (Preemptive Scheduling)中，调度器（Scheduler） 拥有完全的控制权，可以随时中断一个正在运行的线程，并将 CPU 分配给另一个线程。这种中断（即“抢占”）的发生通常是基于优先级和时间片。

不同优先级：抢占

同优先级：时间片轮转

简单比喻： 就像一个严格的老师管理课堂，每个学生（线程）只有固定的发言时间（时间片）。时间一到，老师会立刻打断，让下一个学生发言。如果有更重要的事（高优先级线程），老师会立即处理。

配置选项

• CONFIG_TIMESLICING ：启用时间片调度功能（仅对“可抢占线程”且在指定优先级范围内生效）

• CONFIG_TIMESLICE_SIZE: 指定每个时间片长度（单位：系统时钟 tick

• CONFIG_TIMESLICE_PRIORITY:定义一个阈值优先级（数值，记住：数值越小优先级越高）。

CPU空闲（CPU Idle）机制

概念

在 Zephyr 中，CPU 空闲是电源管理框架的核心部分。当系统中没有任何线程需要运行时（即所有线程都在等待事件、休眠或被挂起），空闲线程（idle thread）就会获得 CPU 控制权。空闲线程的主要职责就是让 CPU 进入低功耗状态，以节省能源。

基本原理

Zephyr 内核在调度器发现没有可执行的应用程序线程时，会切换到内置的空闲线程。这个线程会调用电源管理子系统提供的接口，尝试让 CPU 进入最深的可用睡眠状态。

电源状态

Zephyr 定义了多种电源状态，CPU 可以在空闲时进入这些状态。这些状态通常与处理器的特定低功耗模式相关联。当系统空闲时，电源管理子系统会根据距离下一个定时器事件的时间长短，来决定进入哪种睡眠状态。如果下一个事件很遥远，系统就可以进入更深的睡眠状态，以获得更大的功耗节省。

Tickless Idle（无滴答空闲）

• 在传统的 RTOS 中，系统定时器（System Tick）会以固定的频率（例如，每 1-10 毫秒）产生中断，即使系统处于空闲状态。这会周期性地唤醒 CPU，造成不必要的功耗。
• Zephyr 支持 Tickless Idle 模式。在这种模式下，当系统进入空闲状态时，内核会停止周期性的系统定时器中断。同时，它会计算出下一个需要处理的事件（比如一个线程的超时）的确切时间，并对定时器硬件进行编程，使其在那个精确的时刻产生一个中断。
• 这样，CPU 可以在两个事件之间保持长时间的深度睡眠，而不会被不必要的定时器中断唤醒，从而极大地降低了系统在空闲时的功耗。

配置选项

您可以通过 Kconfig 选项来配置 Zephyr 的电源管理和 CPU 空闲行为。一些关键的配置项包括：

• CONFIG_PM=y：启用电源管理模块。
• CONFIG_PM_DEVICE=y：启用设备电源管理，允许外设在不使用时进入低功耗状态。
• CONFIG_TICKLESS_IDLE=y：启用 Tickless Idle 功能。这是实现高效节能的关键。
• CONFIG_TICKLESS_KERNEL=y：这是一个更高级的模式，它不仅在空闲时，在线程等待内