FreeRTOS中的任务调度

1.先梳理几个重要的概念

        正在运行的任务,可被称为"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,这是与多任务系统实时操作系统的区别。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。

2.调度算法

2.1抢占

vTaskStartScheduler();
/*要开启调度器*/
抢占
/*以下宏定义是在config.h文件中配置*/
##define configUSE_PREEMPTION 1
##define configUSE_TIME_SLICING 1
##define configIDLE_SHOULD_YIELD 1

/*以下是笔者的实验总结,后续的代码段也是*/
/*抢占时:高优先级任务就绪时,就可以马上执行*/
不抢占
##define configUSE_PREEMPTION 0
##define configUSE_TIME_SLICING 1
##define configIDLE_SHOULD_YIELD 1

/*不抢占时:优先级失去意义了,既然不能抢占就只能协商了,即使任务的
vTaskDelay 已经超时、即使它的优先级更高,都没办法执行。*/

2.2时间片轮转

// 时间片不轮转
##define configUSE_PREEMPTION 1
##define configUSE_TIME_SLICING 1
##define configIDLE_SHOULD_YIELD 1


/*在 Tick 中断中会引起任务切换*/
// 时间片不轮转
##define configUSE_PREEMPTION 1
##define configUSE_TIME_SLICING 0
##define configIDLE_SHOULD_YIELD 1

/*高优先级任务就绪时会引起任务切换,高优先级任务不在运行时也会引起任务切换。
可以看到优先级高的任务就绪后可以马上执行,它运行完毕后导致任务切换。*/

2.3空闲任务让步

// 空闲任务让步
##define configUSE_PREEMPTION 1
##define configUSE_TIME_SLICING 1
##define configIDLE_SHOULD_YIELD 1


/*空闲任务在运行时的时间短且不定,会主动让步
我们知道空闲任务优先级为0*/
//空闲任务不让步
##define configUSE_PREEMPTION 1
##define configUSE_TIME_SLICING 1
##define configIDLE_SHOULD_YIELD 0


/*不让步时:空闲任务跟任务(优先级为0的)同等待遇,空闲任务的执行时间和它们时间长度一样*/

### FreeRTOS任务调度的工作原理 FreeRTOS任务调度主要通过任务管理器来完成,该模块负责任务的创建、执行、切换以及销毁等操作。对于初学者来说,可以通过理解裸机实现中的软件定时器逻辑来间接掌握其工作流程[^1]。 #### 时间切片的概念 在 Cortex-M 内核上运行的 FreeRTOS 使用了“时间切片”的概念。“时间切片”指的是调度程序会在每次系统中断触发时,在具有相同优先级的任务间进行轮转。这种机制使得多个同优先级的任务能够共享 CPU 资源[^2]。 #### 可抢占式调度机制 FreeRTOS 支持可抢占式的调度机制,这意味着高优先级的任务可以打断低优先级任务执行并立即获得控制权。当一个更高优先级的任务变为就绪态时,当前正在运行的任务会被挂起,而新任务则被激活并投入运行。此过程通常由硬件中断驱动,例如 RISC-V 架构下的时间中断或 ecall 调用[^3]。 #### 任务状态切换 任务的状态可以在以下几个阶段之间转换:休眠(Suspended)、就绪(Ready)、运行(Running) 和阻塞(Blocked) 或延迟(Delayed)。这些状态的变化依赖于特定事件的发生,比如计时器超时或者信号量释放等条件满足后引起的状态迁移。 #### 底层实现细节 (以RISC-V为例) 为了更好地理解和分析 FreeRTOS任务调度机制,建议深入研究它的链表结构及其相关算法,因为这直接影响到如何高效地管理和遍历各个任务节点。另外需要注意的是不同处理器架构下虽然具体指令集有所差异但总体设计思路保持一致。 以下是简化版伪代码展示了一个典型场景——当发生一次周期性滴答中断(Tick Interrupt),如果存在更高级别的待处理请求,则会发生上下文切换: ```c void vPortYieldFromTick(void){ uint32_t ulTopOfStack; /* 获取最高优先级任务堆栈指针 */ portGET_HIGHEST_PRIORITY_TASK_STACK_POINTER(&ulTopOfStack); /* 判断是否有其他需要被执行的新任务 */ if(pxCurrentTCB != pxHighestPriorityTaskToRun ){ /* 执行实际的情境保存与恢复动作 */ portSWITCH_CONTEXT(); /* 更新全局变量指向新的当前任务控制块*/ pxCurrentTCB = pxHighestPriorityTaskToRun ; } } ``` 上述函数展示了在一个典型的滴答中断服务例程内部可能发生的部分逻辑片段之一即判断是否应该发起一次完整的环境交换从而让另一个更重要的进程得以继续推进下去^. ---
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