摘要

实时操作系统 (RTOS) 和操作系统 (OS) 都提供了设置线程优先级的功能，我们会依据软件功能架构划分情况，为每个线程分配唯一的优先级，从而在系统中创建线程的层次结构。然而，这种线程优先级分配原则会产生问题，为每个线程分配唯一的优先级可能会影响延迟、响应速度、死锁和 CPU 利用率，从而引发问题。

可视化线程分析请参考另外一篇文章：系统级调试利器SystemView移植及使用教程

优先级的核心理解

优先级是一种衡量线程在“响应延迟的确定性”的指标，RTOS需要一个线程运行时，该线程可能不会立即进行响应，因为其他线程或者中断的影响，可能会延迟一段时间才运行。
优先级越低，从需求响应到实际响应中间，夹杂的事件越多，事件链路复杂性越高，延时的可分析性和可预测性越差；
优先级越高，它被意外事件干扰的概率越低，延迟性的可预测性越高，系统中最高优先级的线程的延迟是最容易预测的，因为该线程的延迟性几乎是恒定不变的，只有一些细微的中断事件会影响其抢占CPU，没办法，谁让人家是最高级线程；

线程优先级的初始分配

中断相关线程（事件类型）

首先，说明一下中断服务的组成：

• 中断延迟，中断请求到中断服务的时间 （中断屏蔽+中断嵌套+Sbus压栈（包含总线竞争）+向量表加载）
• 中断前部分，ISR，需要快速处理的关键部分，即ISR服务函数，
• 中断后部分，开中断环境下，在ISR外的用户任务中处理的部分
  中断相关线程用来完成中断后半部分工作内容，中断事件一般都是较为紧急的事件，在功能性上和中断服务有交集的任务，都需要分配较高的任务等级，一般不会设置周期性的调度，而是采用事件通知性的调度，中断事件发生且完成后，使用信号量、队列、任务通知等机制激活任务运行。例如，UI交互式任务和通讯中断相关，必须设置较高等级，快速响应UI界面操作，接收到UART完整数据后，使用队列发送给任务，激活任务运行。
• 近高原则：在功能上和中断服务距离越近，线程等级就越高，以及时响应中断
• 次近高原则：功能上，和中断服务之间夹杂了一个或少量的任务（一般为1~3个），可以设置稍微较低优先级，但需要使用资源锁机制，在关键时候进行优先级穿透，以处理次级中断事件相关内容。
  
  

周期类型线程

需要按照固定频率去运行的任务，从软件需求、系统方案、详细设计中获取相关功能的运行指标：吐屯量需求、最大延迟时间、平均执行时间、最大执行时间等。例如：

• LED屏幕的刷新速率需要不低于60FPS，最高不超过120FPS
• 电机的PID控制算法需要每3ms计算一次
• 看门狗安全线程最慢需要每秒一次喂狗
• CPU使用率不可超过50%
  当系统负载不超过约69.3%时，所有任务都可以按时完成（参考Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard Real-Time Environment）。一般，周期越短的任务被赋予越高的优先级。

线程优先级的后续调整

何时才需要真正的去修改它们的优先级呢？

关键原则：

• 延迟不满足才进行抢占
  当延迟超过需求的吞吐量，并且绝对需要抢占时，才使用不同的优先级，在任何其他情况下都不要使用任务抢占机制。例如，需要满足关键的实时截止期限，线程A和线程D具有类似的工作内容，但要求线程A在收到消息时能立刻运行，那A的优先级就必须要比D要高。
• 少用不同优先级
  使用尽可能少的不同优先级，并为需要真正抢占的情况保留唯一的优先级。
• 模糊时使用同等优先级
  如果无法比较出两个或多个任务的优先级高低时，使用同等优先级使用同等优先级，使用时间片的方法使任务依次运行，使任务“公平运行”，防止任务饥饿问题产生。
  可以避免不合理的上下文切换，减少RTOS开销（注意：是不合理的开销，不是说总量就比不同优先级的开销低，相反，这种总体开销更高，因为基本不会产生任务饥饿）。
• 牵一发动全身
  另外，必须要注意，当前各个线程的优先级调整好后，如何再加入新的线程，可能会扰乱所有线程的优先级顺序，可谓牵一发动全身。