FreeRTOS---基础知识2

1. FreeRTOS 调度机制概述

FreeRTOS 是一个实时操作系统（RTOS），其核心功能是通过 调度器（Scheduler） 管理多个任务的执行。调度机制决定了 何时切换任务 以及 如何选择下一个运行的任务，以满足实时性、优先级和资源共享的需求。以下是 FreeRTOS 调度机制的全面解析：

1.1.调度器的基本工作原理

FreeRTOS 调度器的主要职责是：

任务切换（Context Switching）：保存当前任务的上下文（寄存器、栈等），并恢复下一个任务的上下文。
任务选择：根据任务状态（就绪、阻塞、挂起）和优先级，决定下一个运行的任务。
事件响应：处理中断、信号量、队列等事件触发的任务状态变化。

调度触发条件

主动让出 CPU：任务调用 taskYIELD() 或阻塞（如 vTaskDelay()、xQueueReceive()）。
系统心跳（Tick 中断）：SysTick 或定时器中断触发调度检查。
中断服务程序（ISR）：某些中断（如 PendSV）强制触发任务切换。

1.2 调度策略

FreeRTOS 支持两种主要调度策略：

(1) 抢占式调度（Preemptive Scheduling）

默认模式，高优先级任务可抢占低优先级任务。
特点：
- 高优先级任务就绪时，立即获得 CPU。
- 适用于硬实时系统（如电机控制、传感器采集）。


void vHighPriorityTask(void *pvParams) {while (1) {printf("High Priority Task Running!\n");vTaskDelay(100); // 短暂阻塞，让出 CPU}
}void vLowPriorityTask(void *pvParams) {while (1) {printf("Low Priority Task Running...\n");vTaskDelay(1000); // 长时间阻塞}
}

结果：vHighPriorityTask 会频繁抢占 vLowPriorityTask。

(2) 协作式调度（Cooperative Scheduling）

需手动调用 taskYIELD() 让出 CPU，无抢占。
特点：
- 任务必须主动放弃 CPU，否则一直运行。
- 适用于简单系统，但实时性较差。

1.3 任务状态与调度

FreeRTOS 任务可能处于以下状态：

状态	描述
就绪（Ready）	任务准备就绪，等待调度器分配 CPU。
运行（Running）	当前正在执行的任务（单核 CPU 同一时间只有一个）。
阻塞（Blocked）	任务因等待事件（如延时、信号量、队列）而暂停，不占用 CPU。
挂起（Suspended）	任务被显式挂起（`vTaskSuspend()`），不参与调度，需手动恢复（`vTaskResume()`）。

调度器选择任务的规则：

优先选择 最高优先级的就绪任务。
同优先级任务按 时间片轮转（Round-Robin） 分配 CPU（需启用 configUSE_TIME_SLICING）。

1.4 调度器实现细节

(1) 任务切换的底层机制

PendSV 中断：
FreeRTOS 使用 PendSV（可挂起的系统调用）进行任务切换，确保切换过程 原子化，避免在中断中直接切换导致嵌套问题。
上下文保存与恢复：
- 硬件自动保存部分寄存器（R0-R3, R12, LR, PC, xPSR）。
- 软件手动保存剩余寄存器（R4-R11）。

任务切换流程：

触发 PendSV 中断。
保存当前任务的寄存器到其栈中。
调用 vTaskSwitchContext() 选择新任务。
从新任务的栈恢复寄存器。
返回新任务继续执行。

(2) 调度器启动

调用 vTaskStartScheduler() 后：

创建 空闲任务（Idle Task）（优先级 0，用于清理资源）。
初始化系统心跳（SysTick 定时器）。
开始调度第一个任务。

2 FreeRTOS 中的 Tick 中断详解

Tick 中断（系统心跳中断）是 FreeRTOS 调度和任务管理的核心机制，它通过周期性中断为系统提供时间基准，驱动任务调度、延时管理和超时检测。以下是 Tick 中断的全面解析：

2.1 Tick 中断的作用

(1) 核心功能

提供系统时间基准：
维护全局时钟计数器 xTickCount，记录系统启动后的 Tick 次数（1 Tick = configTICK_RATE_HZ 分之一秒）。
任务延时管理：
检查阻塞任务的超时时间（如 vTaskDelay()），唤醒到期任务。
调度触发：
在抢占式调度模式下，每个 Tick 中断会检查是否需要切换任务（如同优先级任务时间片轮转）。
软件定时器：
驱动 FreeRTOS 的软件定时器（xTimer）回调。

(2) 典型应用场景

周期性任务（如每 100ms 采集一次传感器数据）。
超时控制（如等待信号量时设置超时时间）。
低功耗模式（Tickless 模式下动态调整中断间隔）。

2.2 Tick 中断的硬件实现

(1) 硬件依赖

定时器选择：通常使用 MCU 的 SysTick 定时器（Cortex-M 内核内置），也可用通用定时器（如 TIMx）。
中断频率：由 configTICK_RATE_HZ 定义（通常 100Hz~1kHz）。
示例配置（FreeRTOSConfig.h）：
c
复制
下载
```
#define configTICK_RATE_HZ 1000  // 1kHz Tick，每1ms中断一次
```

(2) 初始化流程

FreeRTOS 启动时（vTaskStartScheduler()）会初始化 Tick 中断：

配置定时器周期（如 SysTick_Config(SystemCoreClock / configTICK_RATE_HZ)）。
设置中断优先级（通常为最低优先级，避免影响其他中断）。
启用定时器和中断。

2.3 Tick 中断的处理流程

(1) 中断服务程序（ISR）

当 Tick 中断发生时：

递增时钟计数器：xTickCount++。
检查任务延时列表：
- 遍历阻塞任务列表，若有任务延时到期，则将其移至就绪列表。
触发调度（可选）：
- 若启用抢占式调度（configUSE_PREEMPTION=1），检查是否需要任务切换。
处理软件定时器（可选）：
- 若启用 configUSE_TIMERS=1，检查定时器回调。

(2) 关键代码（Cortex-M 示例）

void SysTick_Handler(void) {// 1. 进入中断上下文portENTER_CRITICAL();  // 关中断（防止嵌套）// 2. 调用 FreeRTOS 的 Tick 处理函数if (xTaskIncrementTick() != pdFALSE) {portYIELD();  // 触发任务切换（通过 PendSV）}// 3. 退出中断portEXIT_CRITICAL();
}

2.4 Tick 中断与任务调度

(1) 时间片轮转（Round-Robin）

同优先级任务共享 CPU：
每个 Tick 中断会检查当前任务是否用完时间片（configUSE_TIME_SLICING=1），若用完则切换任务。
示例：
两个同优先级任务 TaskA 和 TaskB 会交替运行（每 1 Tick 切换一次）。

Tick中断函数的作用：
（1）取出下一个Task
（2）切换：
a.保存当前Task
b.恢复新的Task

(2) 延时与阻塞

vTaskDelay() 的实现：
任务调用 vTaskDelay(ticks) 后，会被移入阻塞列表，直到 xTickCount 递增到指定值。

void vTaskDelay(TickType_t xTicksToDelay) {vTaskSuspendAll();  // 暂停调度器xTickCount += xTicksToDelay;prvAddCurrentTaskToDelayedList(xTicksToDelay);xTaskResumeAll();   // 恢复调度器
}

例如存在以下三个任务，其中任务1和任务2优先级相同，任务3优先级最高。

#include <stdio.h>/* Scheduler includes. */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"/* Library includes. */
#include "stm32f10x_it.h"extern 	void UART_Init(unsigned long ulWantedBaud);/* Demo app includes. */
static void prvSetupHardware( void );static volatile int flagIdleTaskrun = 0;  // 空闲任务运行时flagIdleTaskrun=1
static volatile int flagTask1run = 0;     // 任务1运行时flagTask1run=1
static volatile int flagTask2run = 0;     // 任务2运行时flagTask2run=1
static volatile int flagTask3run = 0;     // 任务3运行时flagTask3run=1/*-----------------------------------------------------------*/void vTask1( void *pvParameters )
{/* 任务函数的主体一般都是无限循环 */for( ;; ){flagIdleTaskrun = 0;flagTask1run = 1;flagTask2run = 0;flagTask3run = 0;/* 打印任务的信息 */printf("T1\r\n");				}
}void vTask2( void *pvParameters )
{	/* 任务函数的主体一般都是无限循环 */for( ;; ){flagIdleTaskrun = 0;flagTask1run = 0;flagTask2run = 1;flagTask3run = 0;/* 打印任务的信息 */printf("T2\r\n");				}
}void vTask3( void *pvParameters )
{	const TickType_t xDelay5ms = pdMS_TO_TICKS( 5UL );		/* 任务函数的主体一般都是无限循环 */for( ;; ){flagIdleTaskrun = 0;flagTask1run = 0;flagTask2run = 0;flagTask3run = 1;/* 打印任务的信息 */printf("T3\r\n");				// 如果不休眠的话, 其他任务无法得到执行vTaskDelay( xDelay5ms );}
}void vApplicationIdleHook(void)
{flagIdleTaskrun = 1;flagTask1run = 0;flagTask2run = 0;flagTask3run = 0;	/* 故意加入打印让flagIdleTaskrun变为1的时间维持长一点 *///printf("Id\r\n");				
}int main( void )
{prvSetupHardware();xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 0, NULL);xTaskCreate(vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 0, NULL);xTaskCreate(vTask3, "Task 3", 1000, NULL, 2, NULL);/* 启动调度器 */vTaskStartScheduler();/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */return 0;
}
/*-----------------------------------------------------------*/static void prvSetupHardware( void )
{/* Start with the clocks in their e

如果在任务3中调用vTaskDelay(ticks)，这里设定延迟5ms，运行后可以看到，任务1,2,3是交替运行的，如下图所示。