Zephyr RTOS调度器：任务休眠与唤醒
项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/ze/zephyr 概述
在实时操作系统（RTOS）中，任务调度是核心功能之一。Zephyr RTOS（实时操作系统）提供了灵活高效的调度机制，其中任务休眠与唤醒是管理任务执行顺序和系统资源的关键技术。本文将详细介绍Zephyr RTOS调度器中任务休眠与唤醒的实现原理、使用方法及实际应用场景。
任务休眠机制
基本概念
任务休眠（Task Sleep）是指让当前运行的任务暂停执行一段时间，让出CPU资源给其他任务。Zephyr RTOS提供了k_sleep()函数来实现任务休眠功能。该函数允许任务指定休眠的时间长度，时间到达后任务会自动唤醒并重新参与调度。
实现原理
Zephyr RTOS的任务休眠功能主要由内核调度器实现。当任务调用k_sleep()函数时，内核会将该任务从就绪队列中移除，加入到休眠队列，并设置一个唤醒时间。在系统时钟中断发生时，内核会检查休眠队列中的任务，如果有任务的唤醒时间已到，则将其从休眠队列移回就绪队列，等待调度器调度执行。
k_sleep()函数的实现位于内核源码文件kernel/sched.c中，核心代码如下：
int32_t z_impl_k_sleep(k_timeout_t timeout)
{
int32_t ticks = z_tick_sleep(timeout);
/* k_sleep() still returns 32 bit milliseconds for compatibility */
return ticks * MSEC_PER_TICK;
}
使用方法
k_sleep()函数的原型如下：
int32_t k_sleep(k_timeout_t timeout);
其中，timeout参数指定休眠的时间，可以是相对时间或绝对时间。Zephyr RTOS提供了以下宏来指定时间：
K_NO_WAIT：不等待，立即返回K_MSEC(msec)：等待指定的毫秒数K_SECONDS(sec)：等待指定的秒数K_MINUTES(min)：等待指定的分钟数K_HOURS(hr)：等待指定的小时数K_FOREVER：永久等待，直到被其他任务唤醒
以下是一个使用k_sleep()函数的简单示例：
void my_task(void)
{
while (1) {
/* 执行任务操作 */
printf("Task is running...\n");
/* 休眠1秒 */
k_sleep(K_SECONDS(1));
}
}
在实际应用中，k_sleep()函数常用于周期性任务，如传感器数据采集、状态监测等。例如，在samples/basic/fade_led/src/main.c中，通过k_sleep()函数控制LED的渐变效果：
while (1) {
/* 增加LED亮度 */
for (i = 0; i < 100; i++) {
led_set(i);
k_sleep(K_MSEC(SLEEP_MSEC));
}
/* 降低LED亮度 */
for (i = 100; i > 0; i--) {
led_set(i);
k_sleep(K_MSEC(SLEEP_MSEC));
}
}
任务唤醒机制
基本概念
任务唤醒（Task Wakeup）是指将处于休眠状态的任务提前唤醒，使其重新参与调度。Zephyr RTOS提供了k_wakeup()函数来实现任务唤醒功能。该函数允许一个任务唤醒另一个指定的任务。
实现原理
当任务调用k_wakeup()函数唤醒另一个任务时，内核会将被唤醒的任务从休眠队列中移除，加入到就绪队列。如果被唤醒的任务优先级高于当前运行的任务，调度器会立即进行上下文切换，让被唤醒的任务开始执行。
k_wakeup()函数的实现同样位于内核源码文件kernel/sched.c中，核心代码如下：
void z_impl_k_wakeup(k_tid_t thread)
{
unsigned int key = irq_lock();
if (thread->base.state == _THREAD_STATE_SUSPENDED) {
z_abort_timeout(thread);
z_ready_thread(thread);
z_reschedule(&key);
} else {
irq_unlock(key);
}
}
使用方法
k_wakeup()函数的原型如下：
void k_wakeup(k_tid_t thread);
其中，thread参数是要唤醒的任务的ID，可以通过k_current_get()函数获取当前任务的ID，或通过任务创建时返回的任务ID。
以下是一个使用k_wakeup()函数的简单示例：
k_tid_t task1_id;
k_tid_t task2_id;
void task1(void)
{
printf("Task 1 is going to sleep...\n");
k_sleep(K_FOREVER); /* 永久休眠，等待被唤醒 */
printf("Task 1 is woken up!\n");
}
void task2(void)
{
k_sleep(K_SECONDS(2)); /* 休眠2秒 */
printf("Task 2 is waking up Task 1...\n");
k_wakeup(task1_id); /* 唤醒Task 1 */
}
void main(void)
{
task1_id = k_thread_create(&task1_stack, STACK_SIZE,
task1, NULL, NULL, NULL,
K_PRIO_COOP(1), 0, 0);
task2_id = k_thread_create(&task2_stack, STACK_SIZE,
task2, NULL, NULL, NULL,
K_PRIO_COOP(1), 0, 0);
}
实际应用场景
消息队列处理
在消息队列应用中，任务可以在没有消息时进入休眠状态，当有消息到达时被唤醒。例如，在samples/kernel/msg_queue/src/main.c中，接收任务在没有消息时休眠，发送任务发送消息后唤醒接收任务：
void consumer_thread(void)
{
while (1) {
/* 等待消息 */
if (k_msgq_get(&msgq, &data, K_FOREVER) == 0) {
printf("Received data: %d\n", data);
}
}
}
void producer_thread(void)
{
int data = 0;
while (1) {
data++;
k_msgq_put(&msgq, &data, K_NO_WAIT); /* 发送消息 */
printf("Sent data: %d\n", data);
k_sleep(K_MSEC(100)); /* 休眠100毫秒 */
}
}
传感器数据采集
在传感器数据采集中，可以使用任务休眠来控制采样频率。例如，在samples/sensor/bme280/src/main.c中，任务每隔1秒采集一次传感器数据：
void main(void)
{
struct sensor_value temp, press, humidity;
while (1) {
sensor_sample_fetch(dev);
sensor_channel_get(dev, SENSOR_CHAN_AMBIENT_TEMP, &temp);
sensor_channel_get(dev, SENSOR_CHAN_PRESS, &press);
sensor_channel_get(dev, SENSOR_CHAN_HUMIDITY, &humidity);
printf("Temperature: %.2f C\n", sensor_value_to_double(&temp));
printf("Pressure: %.2f hPa\n", sensor_value_to_double(&press));
printf("Humidity: %.2f %%\n", sensor_value_to_double(&humidity));
k_sleep(K_MSEC(1000)); /* 休眠1秒 */
}
}
多任务同步
在多任务系统中，任务休眠与唤醒可以用于任务间的同步。例如，在samples/kernel/condition_variables/simple/src/main.c中，使用条件变量和任务休眠实现任务同步：
struct k_condvar condvar;
struct k_mutex mutex;
bool data_ready = false;
void consumer(void)
{
k_mutex_lock(&mutex, K_FOREVER);
while (!data_ready) {
k_condvar_wait(&condvar, &mutex, K_FOREVER); /* 等待条件变量 */
}
printf("Consumer: Data is ready!\n");
data_ready = false;
k_mutex_unlock(&mutex);
}
void producer(void)
{
k_sleep(K_MSEC(500)); /* 模拟数据准备过程 */
k_mutex_lock(&mutex, K_FOREVER);
data_ready = true;
k_condvar_signal(&condvar); /* 发送条件变量信号 */
k_mutex_unlock(&mutex);
}
总结
任务休眠与唤醒是Zephyr RTOS调度器中的重要功能，通过k_sleep()和k_wakeup()函数可以灵活地控制任务的执行顺序和系统资源分配。合理使用任务休眠与唤醒机制，可以提高系统的实时性和资源利用率，确保关键任务的及时执行。
在实际应用开发中，需要根据具体的业务需求和系统约束，选择合适的休眠时间和唤醒策略。同时，还需要注意任务优先级的设置，避免出现优先级反转等问题，确保系统的稳定性和可靠性。
通过本文的介绍，相信读者已经对Zephyr RTOS调度器中的任务休眠与唤醒机制有了深入的了解。如需进一步学习Zephyr RTOS的其他功能，可以参考官方文档和示例代码，不断探索和实践。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
