FreeRTOS 任务调度 系统节拍

最新推荐文章于 2025-05-27 20:55:01 发布
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分类专栏： 嵌入式 编程 FreeRTOS 学习 文章标签： 任务调度 嵌入式
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_18150497/article/details/52852303
本文详细解析FreeRTOS中的任务调度，包括xTaskIncrementTick()函数的作用，如节拍计数器溢出、任务超时唤醒、时间片轮询等。同时介绍了两种系统延时函数vTaskDelay和vTaskDelayUntil的使用，特别是vTaskDelayUntil用于确保周期性任务准确执行的机制。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

@(嵌入式)

Freertos
FreeRtos

简述

文章 < FreeRTOS 任务调度 任务切换 > 记录了 FreeRTOS 中任务切换的过程， 提到触发任务切换的两种情况 ： 高优先级任务就绪抢占和同优先级任务时间共享（包括提前挂起）。 系统中，时间延时和任务阻塞，时间片都以 Systick 为单位。

通过设置文件 FreeRTOSConfig.h 中 configTICK_RATE_HZ 设置任务节拍中断频率， 在启动任务调度器时，系统会根据另一个变量， CPU 的频率 configCPU_CLOCK_HZ 计算对应写入节拍计数器的值，启动定时器中断。

系统在每一次节拍计数器中断服务程序xPortSysTickHandler(平台实现 port.c 中) 中调用处理函数 xTaskIncrementTick, 依据该函数返回值判断是否需要触发 PendSV 异常， 进行任务切换。
涉及任务时间片轮循， 任务阻塞超时， 以及结束以此实现的延时函数。

分析的源码版本是 v9.0.0

xTaskIncrementTick()

系统每次节拍中断服务程序中主要任务由函数 xTaskIncrementTick 完成。
在任务调度器没有挂起的情况下（ xTaskIncrementTick ！= pdFALSE ），该函数主要完成 ：
* 判断节拍计数器xTickCount 是否溢出， 溢出轮换延时函数队列
* 判断是否有阻塞任务超时，取出插入就绪链表
* 同优先级任务时间片轮

而当任务调度器被挂起时， 该函数累加挂起时间计数器 uxPendedTicks， 调用用户钩子函数， 此时，正在运行的任务不会被切换， 一直运行。
当恢复调度时， 系统会先重复调用 xTaskIncrementTick 补偿 （uxPendedTicks次）。

不管, 系统调度器是否挂起， 每次节拍中断都会调用用户的钩子函数 vApplicationTickHook。 由于函数是中断中调用，不要在里面处理太复杂的事情！！

节拍计数器溢出

涉及的变量, 定义在 task.c开头。

PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1;
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxDelayedTaskList;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;

初始化时， pxDelayedTaskList 指向 xDelayedTaskList1， pxOverflowDelayedTaskList 指向 pxOverflowDelayedTaskList，一开始我还在郁闷延时链表为什么要两个，到这里才明白。

当任务由于等待事件（延时，消息队列什么的堵塞）时，会设置一个时间，这时候，响应的任务会被挂到延时链表中，如果超过设置时间没有事件响应，则系统会从延时链表中取出任务恢复就绪。
系统任务延时参考系统节拍计数器 xTickCount， 加入链表前依据当前计数器的值计算出超时的值 （ xTickCount+ xTicksToDelay ）， 顺序插入到延时链表中。

对不同平台xTickCount 表示的位数不同，但是每次节拍中断加一，总会溢出。 上述计算任务延时时间，如果系统发现计算出来的时间已经溢出，则会将该任务加入到 pxOverflowDelayedTaskList 这个链表中。
在系统节拍中断时， 节拍计数器每次加一， 系统判断是否溢出，如果溢出， 调用宏 taskSWITCH_DELAYED_LISTS()切换上述的链表指针。
宏主要实现

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FreeRTOS - 任务调度
luckyme_的博客
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FreeRTOS学习过程中内容整理：综合韦东山-FreeRTOS手册和视频、野火-FreeRTOS内核实现与应用开发、及网上查找的其他资源整理而得。
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FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统，它支持多种调度策略，包括协作式（cooperative）和抢占式（preemptive）调度。可以看出，开启了抢占式和时间片轮转两种调度算法时，高优先级的任务一旦就绪，就能抢占低优先级的CPU执行权；如果有两个同优先级的任务都可以运行，则它们之间是时间片轮转方式调度。抢占式调度和时间片轮转两种任务的切换方式，可以说是FreeRTOS系统最核心的功能。
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1.系统配置完成systick模块后，通常下每当产生一个systick中断就会运行SysTick_Handler。 2.分析void xPortSysTickHandler( void ) a.通过操作寄存器basepri关闭一些中端 b.通过xTaskIncrementTick判断是否需要进行一次任务切换 c.打开在步骤a中关闭的中断 下面具体分析函数BaseType_t...
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03-18 1832
我们已经学会了FreeRTOS的任务创建和删除，挂起和恢复等基本操作，并且也学习了分析FreeRTOS源码所必须掌握的知识：列表和列表项。但是任务究竟如何被创建、删除、挂起和恢复的？系统是怎么启动的等等这些我们还不了解，一个操作系统最核心的内容就是多任务管理，所以我们非常有必要去学习一下FreeRTOS的任务创建、删除、挂起、恢复和系统启动等，这样才能对FreeRTOS有一个更深入的了解。本章和下一章要讲解的内容和Cortex-M处理器的内核架构联系非常紧密！
Freertos任务调度
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02-20 481
同等优先级任务轮流地享有相同的 CPU 时间(可设置，指的是SysTick中断周期)， 叫时间片，在FreeRTOS中，一个时间片就等于SysTick 中断周期，即相同优先级任务轮转运行的时间为一个时间片，时间片的持续时间可以由中断周期进行设置改变。Freertos第一次运行的任务是最高优先级的ready list最后一个创建的任务，它使用链表来管理任务，使用TICK中断，每隔固定时间，会产生的一个定时器中断，进入中断函数切换任务。的任务，FreeRTOS调度器依次选中相同优先级的任务进入运行态。
Freertos 任务调度
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05-11 383
创建 任务 到 就 绪 态 : 任务创建完成后进入就 绪 态，表明任务已准备就绪，只等待调度器进行调度即可运行。 就 绪 态 到 运行 态 :调度器发生任务切换 时，就绪列表中最高优先级的任务优先执行，进入运行态 运行 态 到 就 绪 态 : 创建或还原更高优先级的任务后，将进行任务调度 。 此 时 ，就 绪列表中优先级最高的任务将变为运行状态 。 然 后 ， 原 始 正在 运行 的 任务 将 从运行 状态 更 改 为 就 绪 状 态 ， 并 位 于 就 绪 列 表 中 。 更 高 优先 级 任务 运行 结
FreeRTOS 任务调度
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学习调度器之前的一些建议： 本讲的内容和 Cortex-M 处理器的内核架构密切联系，所以学习之前建议大家： 作用：用于启动任务调度器，任务调度器启动后， FreeRTOS 便会开始进行任务调度。 作用：该函数用于完成启动任务调度器中与硬件架构相关的配置部分，以及启动第一个任务。注意：运行完 xPortStartScheduler() 之后是不会再返回了，直接跳到第一个任务去执行了。我们主要讲解两个函数： 想象下 OS 应该如何启动第一个任务？比如 OS 创建了多个任务，那么多个任务 OS 怎么知道启动哪
FreeRTOS任务调度
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抢占式，时间片、合作式实际应用主要是和，合作式调度用到的很少。
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05-10 1850
任务调度器是实时操作系统（RTOS）的一个关键组件，它负责决定在多个可运行任务中哪一个将获得CPU时间得以执行。它基于任务的优先级和状态来做出这些决定。在一个RTOS中，可能会有多个任务同时运行，但是在任意时刻，CPU只能执行一个任务。任务调度器的主要目标是按照系统的需求合理分配CPU时间。调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的哪个任务。基本功能任务的选择任务调度器会根据预设的算法从所有可运行的任务中选择一个要执行的任务。任务的优先级任务通常会被分配一个优先级，
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<think>我们正在讨论FreeRTOS任务调度优化技术。FreeRTOS是一个实时操作系统，任务调度是其核心功能之一。优化任务调度可以提高系统的实时性和效率。 首先，我们需要了解FreeRTOS的调度机制：它支持抢占式调度和时间片轮转（可选）。任务优先级决定了任务执行的顺序，高优先级任务可以抢占低优先级任务。 优化任务调度可以从以下几个方面考虑： 1. 合理设置任务优先级：确保关键任务有足够高的优先级，但避免优先级反转问题。可以使用优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol）或优先级天花板协议（Priority Ceiling Protocol）来避免优先级反转。 2. 优化任务数量：减少任务数量，将功能相似的任务合并，以减少上下文切换的开销。 3. 调整时间片：如果使用时间片轮转调度，合理设置时间片长度，避免频繁的上下文切换。 4. 使用空闲任务钩子函数（Idle Task Hook）：在空闲任务中执行低优先级后台任务，但注意不要长时间阻塞空闲任务。 5. 使用任务通知（Task Notification）代替信号量、队列等：任务通知是一种轻量级的通信机制，速度更快，内存占用更少。 6. 使用软件定时器（Software Timers）处理周期性任务：避免创建多个任务来处理周期性事件，减少任务数量。 7. 优化中断服务程序（ISR）：中断处理应尽量短，将耗时操作放到任务中处理。高频率的中断会增加调度器的负担。 8. 使用低功耗模式：当系统空闲时，进入低功耗模式，减少能耗，同时也可以减少调度器的负担（因为唤醒后才会进行调度）。 9. 配置调度器参数：根据具体应用调整FreeRTOS的配置参数，例如`configTICK_RATE_HZ`（系统节拍频率）不宜设置过高，以减少系统节拍中断的开销。 10. 使用任务挂起（Suspend）和恢复（Resume）来管理任务：在任务不需要运行时挂起，减少调度器的就绪任务数量。 11. 使用协程（Co-routines）：虽然FreeRTOS支持协程，但注意协程在较新的版本中已被弃用，且使用较少，一般不推荐。 注意：优化时需要根据具体应用场景进行权衡，比如实时性要求、功耗要求等。 下面我们通过一个简单的例子来说明如何使用任务通知代替队列进行任务间通信，从而减少开销： 传统队列方式： ```c // 发送任务 xQueueSend(queue, &data, portMAX_DELAY); // 接收任务 xQueueReceive(queue, &data, portMAX_DELAY); ``` 使用任务通知： ```c // 发送任务 xTaskNotify(task_handle, value, eSetValueWithOverwrite); // 接收任务 xTaskNotifyWait(0, ULONG_MAX, &value, portMAX_DELAY); ``` 任务通知不需要创建队列，因此节省了内存，并且速度更快。 另外，关于任务优先级的设置，可以遵循以下原则： - 中断服务函数（ISR）触发的任务应设置为高优先级，以保证实时性。 - 周期性任务根据其周期长短设置优先级，通常周期短的任务优先级高（如控制任务），周期长的任务优先级低（如数据记录任务）。 - 用户交互任务可以设置为中等优先级。 最后，注意在优化过程中，使用FreeRTOS提供的跟踪工具（如`traceTASK_SWITCHED_IN`等宏）来分析调度行为，找出瓶颈。 参考文献： [1] FreeRTOS官方文档：https://www.freertos.org/ [2] 《Mastering the FreeRTOS Real Time Kernel》书籍 根据上述内容，生成相关问题：</think>### FreeRTOS任务调度优化技术 在FreeRTOS中优化任务调度性能需要从系统配置、任务设计和调度策略三个层面入手，以下是关键优化技术： 1. **优先级优化** - 合理分配任务优先级：确保实时性任务（如电机控制）具有最高优先级，非关键任务（如日志记录）使用较低优先级 - 使用优先级继承协议（`configUSE_PRIORITY_INHERITANCE`）避免优先级反转问题 - 示例优先级配置： ```c #define TASK_HIGH_PRIO (configMAX_PRIORITIES - 1) // 最高优先级 #define TASK_MID_PRIO (configMAX_PRIORITIES / 2) #define TASK_LOW_PRIO 1 // 最低优先级 ``` 2. **调度策略调整** - 启用抢占式调度（默认配置）：高优先级任务可立即抢占低优先级任务 - 选择性使用时间片轮询（`configUSE_TIME_SLICING`）：对同优先级任务公平分配CPU时间 - 关闭不必要的调度特性（如协程）减少开销： ```c #define configUSE_CO_ROUTINES 0 // 禁用协程 ``` 3. **任务设计优化** - **任务拆分**：将大任务分解为小任务，减少单次执行时间 ```c // 原始任务 void BigTask(void *pv) { Step1(); // 耗时操作 Step2(); // 耗时操作 } // 优化后 void SmallTask1(void *pv) { Step1(); } void SmallTask2(void *pv) { Step2(); } ``` - **阻塞机制**：使用`vTaskDelay()`或事件等待（信号量/队列）主动释放CPU - **任务通知**替代队列/信号量：减少内存占用和切换延迟 ```c // 传统队列 vs 任务通知 xQueueSend(queue, &data, 0); // 约10-30个周期 xTaskNotify(task, value, eSetValueWithOverwrite); // 仅需个位数周期 ``` 4. **系统配置优化** - 调整时钟节拍频率（`configTICK_RATE_HZ`）： $$ f_{tick} = \frac{1}{t_{min}} \times k $$ 其中 $t_{min}$ 是最小时间精度需求，$k$ 为安全系数（通常2-10） - 优化栈分配：使用`uxTaskGetStackHighWaterMark()`检测实际栈使用量 - 启用调度器统计（`configGENERATE_RUN_TIME_STATS`）进行性能分析 5. **中断优化** - 将长中断处理移至任务（使用二值信号量触发） - 限制中断嵌套深度（`configMAX_API_CALL_INTERRUPT_PRIORITY`） - 使用`xHigherPriorityTaskWoken`参数高效唤醒任务： ```c void ISR_Handler() { BaseType_t xNeedSwitch = pdFALSE; xSemaphoreGiveFromISR(sem, &xNeedSwitch); portYIELD_FROM_ISR(xNeedSwitch); } ``` 6. **高级技术** - **Tickless模式**（`configUSE_TICKLESS_IDLE`）：空闲时停用节拍中断，降低功耗[^1] - **CPU亲和性**（多核系统）：通过`vTaskCoreAffinitySet()`绑定任务到特定核心 - **延迟中断**（`LPIT`）：对非实时任务使用低优先级中断 > ⚠️ 优化前后务必使用FreeRTOS的跟踪工具（如`traceTASK_SWITCHED_IN`）对比调度延迟，确保实时性要求满足设计指标。
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