基于 SysTick 定时器实现任务轮询调度器

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前言

在嵌入式系统中，对于资源受限、实时性要求较强的小型项目，使用一个轻量级的 轮询调度器（Polling Scheduler） 往往是比使用完整 RTOS 更合适的选择。本文将介绍如何基于 SysTick 定时器，构建一个简单、可配置、易于维护的任务轮询调度框架。

轮询调度器是一种按照固定频率循环调用多个任务的调度方式。与传统的 RTOS 使用任务优先级和时间片管理不同，轮询调度器结构简单，没有上下文切换开销，适用于嵌入式裸机系统。

SysTick 是 Cortex-M 内核自带的一个 24-bit 的定时器，非常适合实现毫秒级的系统节拍（系统心跳），可以定期触发中断来增加系统“时钟节拍数”。

一、SysTick 定时器介绍

SysTick 是 Cortex-M3/M4/M7 系列核内部自带的一个定时器，有如下特点：

• 可以设置一个重装值，到值时触发一次中断

• 可以选择不同的时钟源（如 HCLK/无分频或 HCLK/8）

• 通常用于 RTOS 的时钟引擎，也可用于实时延时

在本组件中，我们把 SysTick 设置为 10kHz 高精度定时器，即 0.1ms 一次中断

二、SysTick 驱动设计

1. 初始化方法

void drv_systick_init(void)
{crm_clocks_freq_type clocks_struct;systick_clock_source_config(SYSTICK_CLOCK_SOURCE_AHBCLK_NODIV); // 使用 AHB 时钟crm_clocks_freq_get(&clocks_struct);uint32_t tick_cnt = clocks_struct.ahb_freq / SYSTICK_FREQUENCE;systick_interrupt_config(tick_cnt);
}

根据当前 AHB 主时钟，计算定时轮被动进制值，定时频率为 SYSTICK_FREQUENCE = 10000 即 10kHz。

2. SysTick 中断函数

void SysTick_Handler(void)
{++systick_count;
}

每 0.1ms 一次，代表一个精度较高的 “系统时钟基准” 增加。

3. 时间类 API

uint32_t get_systick_count(void)
{return systick_count;
}uint32_t get_systick_ms(void)
{return (uint32_t)((float)systick_count / ((float)SYSTICK_FREQUENCE * 0.001f));
}uint32_t get_systick_s(void)
{return (uint32_t)((float)systick_count / (float)SYSTICK_FREQUENCE);
}void delay_ms(uint32_t ms)
{uint32_t start_cnt = get_systick_count();while ( (get_systick_count() - start_cnt) < ms * SYSTICK_FREQUENCE * 0.001f) {}
}void delay_s(uint32_t s)
{uint32_t start_cnt = get_systick_count();while ( (get_systick_count() - start_cnt) < s * SYSTICK_FREQUENCE) {}
}

• get_systick_count() ：返回自己滴答数

• get_systick_ms() ：系统运行时间，单位ms

• delay_ms() ：延时操作，单位ms

三、任务调度器设计

核心思想： 每个任务记录上次执行时间 last_tick，按照预设频率 frequence 判断是否超时，如果是，就执行任务函数。

1. 任务结构体

struct loop_task_info {char *name;void (*function)(void);    // 任务函数指针uint32_t frequence;        // 任务执行频率（Hz）uint32_t tick;             // 已执行次数uint32_t last_tick;        // 上次执行时的系统节拍数
};

所有任务被组织在一个静态数组 task_info[] 中。

2. 任务初始化

INIT_LOOP_TAST(task_info[LOOP_TASK_A], "Task A", task_a,  10000, 0, 0); // 10000Hz
INIT_LOOP_TAST(task_info[LOOP_TASK_B], "Task B", task_b,  500, 0, 0);    // 500Hz

3. 主调度器

主循环不断轮询所有任务：

void loop_task_ontick(void)
{while (1) {for (i = 0; i < LOOP_TASK_MAX; ++i)loop_task_updata(&task_info[i]);}
}

4. 调度器更新

static void loop_task_updata(struct loop_task_info *loop_task)
{uint32_t tick_interval = get_systick_count() - loop_task->last_tick;if (tick_interval >= (get_systick_frequence() / loop_task->frequence)) {loop_task->last_tick = get_systick_count();++loop_task->tick;if(loop_task->function != NULL)loop_task->function();}
}

四、任务函数实现

任务函数内部可以再细分子任务，如在 Task A 中实现 10KHz、1KHz、1Hz 的子任务：

void task_a(void)
{if (get_loop_task_tick(LOOP_TASK_A) % (get_loop_task_frequence(LOOP_TASK_A) / 10000) == 0) {// 10000Hz 执行}if (get_loop_task_tick(LOOP_TASK_A) % (get_loop_task_frequence(LOOP_TASK_A) / 1000) == 0) {// 1000Hz 执行}if (get_loop_task_tick(LOOP_TASK_A) % (get_loop_task_frequence(LOOP_TASK_A) / 1) == 0) {// 1Hz 执行}
}

通过tick计数除以频率的方式，在一个任务函数中实现多频率分支处理，非常适合多粒度控制。

五、总结

1. 优缺点分析

优点：

• 结构简单：无需操作系统，适合裸机项目。

• 执行频率可控：每个任务可单独配置运行频率。

• 任务切换无上下文开销：极大节省系统资源。

缺点：

• 不适合实时性要求极高的任务：任务间是串行执行，容易被阻塞。

• 不支持任务优先级：所有任务平等轮询。

• 没有“抢占机制”：任务函数内部不能阻塞太久，否则影响整体调度精度。

2. 扩展建议

• 支持任务优先级（按优先级或 deadline 排序执行）

• 增加任务 Watchdog 功能，防止任务异常长时间卡死

• 动态添加、删除任务支持

• 基于时间轮的调度器优化版