FreeRTOS任务调度

sakabu

已于 2024-05-28 21:26:48 修改

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分类专栏： FreeRTOS 文章标签：学习笔记 FreeRTOS

于 2024-05-20 19:30:29 首次发布

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前言：

上个文章概述了FreeRTOS的功能以及简单的移植，详情看 FreeRTOS入门（如何移植&创建任务），本章概述FreeRTOS任务之间是如何切换和任务内部运行等细节。

一、任务优先级和Tick

1、任务优先级

在学习调度方法之前，你只要初略地知道：

·FreeRTOS会确保最高优先级的、可运行的任务，马上就能执行
·对于相同优先级的、可运行的任务，轮流执行

这无需记忆，就像我们举的例子：
·厨房着火了，当然优先灭火
·喂饭、回复信息同样重要，轮流做

（只要优先级高的任务不进入阻塞状态，低优先级的任务就永远无法执行）

2、Tick

人有心跳，心跳间隔基本恒定。 FreeRTOS中也有心跳，它使用定时器产生固定间隔的中断。这叫Tick、滴答，比如每10ms发生一次时钟中断。

如下图：假设t1、t2、t3发生时钟中断，两次中断之间的时间被称为时间片(time slice、tick period) 时间片的长度由configTICK_RATE_HZ 决定，假设configTICK_RATE_HZ为100，那么时间片长度就是10ms。

每经过一个Tick，程序会进入Tick中断处理函数：选择下一个要运行的任务、执行完中断处理函数后，切换到新的任务。

有了Tick的概念后，我们就可以使用Tick来衡量时间了，比如：

vTaskDelay(2); // 等待2个Tick，假设configTICK_RATE_HZ=100, Tick周期时10ms, 等待20ms

// 还可以使用pdMS_TO_TICKS宏把ms转换为tick
vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100)); // 等待100ms

使用vTaskDelay函数后，任务会进入阻塞状态。

3、修改优先级

使用uxTaskPriorityGet来获得任务的优先级：

UBaseType_t uxTaskPriorityGet( const TaskHandle_t xTask );

使用参数xTask来指定任务，设置为NULL表示获取自己的优先级。

使用vTaskPrioritySet来设置任务的优先级：

void vTaskPrioritySet( TaskHandle_t xTask,UBaseType_t uxNewPriority );

使用参数xTask来指定任务，设置为NULL表示设置自己的优先级；参数uxNewPriority表示新的优先级，取值范围是0~(configMAX_PRIORITIES – 1)。

二、任务状态

我们可以简单的把任务分为两个状态：运行(Runing)、非运行(Not Running)。

现在我们将非运行状态细分：
·阻塞状态(Blocked)
·暂停状态(Suspended)
·就绪状态(Ready）

1、阻塞状态

在实际产品中，我们不会让一个任务一直运行，而是使用"事件驱动"的方法让它运行：
·任务要等待某个事件，事件发生后它才能运行
·在等待事件过程中，它不消耗CPU资源
·在等待事件的过程中，这个任务就处于阻塞状态(Blocked)

在阻塞状态的任务，它可以等待两种类型的事件：
·时间相关的事件：比如用vTaskDelay函数让任务等待多少个Tick后执行。
·同步事件：这事件由别的任务，或者是中断程序产生。（同步事件的来源有很多(这些概念在后面会细讲)）

2、暂停状态

FreeRTOS中的任务也可以进入暂停状态，唯一的方法是通过vTaskSuspend函数。函数原型如下：

void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend );

参数xTaskToSuspend表示要暂停的任务，如果为NULL，表示暂停自己。

要退出暂停状态，只能由别人来操作：
别的任务调用：vTaskResume
中断程序调用：xTaskResumeFromISR

3、就绪状态

这个任务完全准备好了，随时可以运行：只是还轮不到它。这时，它就处于就绪态(Ready)。

4、完整的状态转换图

三、Delay函数

有两个Delay函数：
·vTaskDelay：至少等待指定个数的Tick Interrupt才能变为就绪状态
·vTaskDelayUntil：等待到指定的绝对时刻，才能变为就绪态。

一句话说明两者之间的区别，vTaskDelay是任务执行完后等待指定个周期（任务开始和结束之间的间隔相同）；vTaskDelayUntil是任务开始执行时记录当前的TickCount，直到设置好的时间间隔再次执行任务（任务开始之间的间隔相同）

这两个函数原型如下：

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay ); /* xTicksToDelay: 等待多少给
Tick */


/* pxPreviousWakeTime: 上一次被唤醒的时间
* xTimeIncrement: 要阻塞到(pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement)
* 单位都是Tick Count
*/
BaseType_t vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,const TickType_t xTimeIncrement );

对于vTaskDelayUntil函数，在第一次进入任务时使用xTaskGetTickCount();获得当前的TickCount保存在一个变量中，只需要传入该变量的地址，后续该函数会自动更新pxPreviouWakeTime。

四、空闲任务及其钩子函数

1、空闲任务

为什么必须要有空闲任务？

一个良好的程序，它的任务都是事件驱动的：平时大部分时间处于阻塞状态。有可能我们自己创建的所有任务都无法执行，但是调度器必须能找到一个可以运行的任务：所以，我们要提供空闲任务。在使用 vTaskStartScheduler() 函数来创建、启动调度器时，这个函数内部会创建空闲任务：
·空闲任务优先级为0：它不能阻碍用户任务运行
·空闲任务要么处于就绪态，要么处于运行态，永远不会阻塞

空闲任务的优先级为0，这以为着一旦某个用户的任务变为就绪态，那么空闲任务马上被切换出去，让这个用户任务运行。在这种情况下，我们说用户任务"抢占"(pre-empt)了空闲任务，这是由调度器实现的。 要注意的是：如果使用 vTaskDelete() 来删除任务，那么你就要确保空闲任务有机会执行，否则就无法释放被删除任务的内存。

2、钩子函数

我们可以添加一个空闲任务的钩子函数(Idle Task Hook Functions)，空闲任务的循环每执行一次，就会调用一次钩子函数。钩子函数的作用有这些：
·执行一些低优先级的、后台的、需要连续执行的函数。
·测量系统的空闲时间：空闲任务能被执行就意味着所有的高优先级任务都停止了，所以测量空闲任务占据的时间，就可以算出处理器占用率。
·让系统进入省电模式：空闲任务能被执行就意味着没有重要的事情要做，当然可以进入省电模式了。

空闲任务的钩子函数的限制：
·不能导致空闲任务进入阻塞状态、暂停状态
·如果你会使用 vTaskDelete() 来删除任务，那么钩子函数要非常高效地执行。如果空闲任务移植卡在钩子函数里的话，它就无法释放内存。

3、如何使用钩子函数

在 FreeRTOS\Source\tasks.c 中，可以看到如下代码，所以前提就是：

·把这个宏定义为1：configUSE_IDLE_HOOK
·实现 vApplicationIdleHook 函数

五、调度算法

1、重要概念

正在运行的任务，被称为"正在使用处理器"，它处于运行状态。在单处理系统中，任何时间里只能有一个任务处于运行状态。

非运行状态的任务，它处于这3中状态之一：阻塞(Blocked)、暂停(Suspended)、就绪(Ready)。就绪态的任务，可以被调度器挑选出来切换为运行状态，调度器永远都是挑选最高优先级的就绪态任务并让它进入运行状态。

阻塞状态的任务，它在等待"事件"，当事件发生时任务就会进入就绪状态。事件分为两类：时间相关的事件、同步事件。所谓时间相关的事件，就是设置超时时间：在指定时间内阻塞，时间到了就进入就绪状态。使用时间相关的事件，可以实现周期性的功能、可以实现超时功能。同步事件就是：某个任务在等待某些信息，别的任务或者中断服务程序会给它发送信息。怎么"发送信息"？方法很多，有：任务通知(task notification)、队列(queue)、事件组(event group)、信号量(semaphoe)、互斥量(mutex)等。这些方法用来发送同步信息，比如表示某个外设得到了数据。