FreeRTOS在MCU領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，今天就給大家講解一下FreeRTOS調(diào)度器中的三種調(diào)度算法，以及在瑞薩RZ/T2L MPU中的應(yīng)用。

1.任務(wù)狀態(tài)和事件的概述

RTOS，即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一種能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)外部事件或數(shù)據(jù)，并控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)做出快速響應(yīng)的操作系統(tǒng)。RTOS通過調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù)，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行。RTOS的主要特點(diǎn)包括提供及時(shí)響應(yīng)和高可靠性。

在RTOS中，任務(wù)狀態(tài)通常包括以下幾種：

就緒態(tài)（Ready）：任務(wù)已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行，所有必要資源都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，只等待RTOS調(diào)度器選中并分配CPU時(shí)間。新創(chuàng)建的任務(wù)通常立即進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待調(diào)度器的調(diào)度。

運(yùn)行態(tài)（Running）：任務(wù)正在執(zhí)行，占據(jù)了CPU資源。當(dāng)任務(wù)被RTOS調(diào)度器選中后，其上下文會(huì)被加載到CPU寄存器中，開始執(zhí)行任務(wù)代碼。

阻塞態(tài)（Blocked）：任務(wù)暫時(shí)不能執(zhí)行，通常是因?yàn)榈却承┩獠渴录?，如I/O操作完成、定時(shí)器到期、信號(hào)量或互斥量被釋放等。一旦這些事件發(fā)生，任務(wù)會(huì)重新進(jìn)入就緒狀態(tài)，等待調(diào)度器的調(diào)度。

掛起態(tài)（Suspended）：任務(wù)被主動(dòng)掛起，不參與調(diào)度，需要手動(dòng)恢復(fù)才能回到就緒態(tài)。掛起狀態(tài)的任務(wù)不會(huì)執(zhí)行，直到被其他任務(wù)或中斷調(diào)用特定的API函數(shù)恢復(fù)。

RTOS中的事件是指能夠觸發(fā)任務(wù)狀態(tài)改變或任務(wù)執(zhí)行的某些外部或內(nèi)部發(fā)生的情況。事件可以是來自硬件的中斷、定時(shí)器到期、消息隊(duì)列中的消息到達(dá)等。RTOS通過事件來同步和協(xié)調(diào)任務(wù)的執(zhí)行，確保它們能夠按照預(yù)期的方式和時(shí)間順序運(yùn)行。

2.FreeRTOS調(diào)度算法

FreeRTOS它支持多種任務(wù)調(diào)度算法，可通過配置來滿足不同應(yīng)用的需求。

通過配置 configUSE_PREEMPTION 和 configUSE_TIME_SLICING 來更改算法。這兩個(gè)常量都在FreeRTOSConfig.h中定義。

還有個(gè)配置常數(shù)configUSE_TICKLESS_IDLE也會(huì)影響調(diào)度算法，因?yàn)槭褂盟鼤?huì)導(dǎo)致tick中斷在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被完全關(guān)閉。

configUSE_TICKLESS_IDLE是一個(gè)高級(jí)選項(xiàng)，專門用于必須最小化功耗的應(yīng)用程序。configUSE_TICKLESS_IDLE在之后解說。

對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，F(xiàn)reeRTOS調(diào)度器依次選中相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。這種輪流策略被稱為‘Round Robin Scheduling’

‘Round Robin Scheduling’算法并不能保證同等優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間運(yùn)行相同的時(shí)間，只能保證同等優(yōu)先級(jí)的“就緒”任務(wù)會(huì)依次進(jìn)入“運(yùn)行”態(tài)。

2.1

基于時(shí)間片的搶占式調(diào)度

如果按照如下配置：

configUSE_PREEMPTION 1

configUSE_TIME_SLICING 1

FreeRTOS調(diào)度器使用一種稱為“基于時(shí)間片的固定優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度”的調(diào)度算法，這是大多數(shù)小型RTOS應(yīng)用程序使用的調(diào)度算法。

固定優(yōu)先級(jí)

被描述為“固定優(yōu)先級(jí)”的調(diào)度算法不會(huì)改變分配給被調(diào)度任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，但也不會(huì)阻止任務(wù)本身改變自己的優(yōu)先級(jí)或其他任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。

搶占式調(diào)度

在優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時(shí)，調(diào)度器立即讓這個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)“搶占”運(yùn)行態(tài)任務(wù)。被搶占意味著任務(wù)移出運(yùn)行態(tài)并進(jìn)入就緒態(tài)，并不是因?yàn)槿蝿?wù)自己主動(dòng)讓出或者阻塞。

時(shí)間片

時(shí)間片用于在具有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間共享處理時(shí)間，即使任務(wù)沒有顯式地讓步或進(jìn)入阻塞狀態(tài)。使用“時(shí)間片”的調(diào)度算法將在每個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)選擇一個(gè)新任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，如果有其他與運(yùn)行任務(wù)具有相同優(yōu)先級(jí)的就緒狀態(tài)任務(wù)。一個(gè)時(shí)間片等于兩個(gè)RTOS tick中斷之間的時(shí)間。

上圖演示了使用“基于時(shí)間片的固定優(yōu)先級(jí)搶占式調(diào)度”算法搶占調(diào)度任務(wù)的調(diào)度過程。

task1是最高優(yōu)先級(jí)的事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)，task2是中等優(yōu)先級(jí)的周期性任務(wù)，task3是最低優(yōu)先級(jí)的事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)，Idle task是空閑任務(wù)。

task1周期性運(yùn)行，阻塞時(shí)，空閑任務(wù)就會(huì)運(yùn)行，task3的事件到達(dá)就會(huì)搶占空閑任務(wù)，task3運(yùn)行期間，如果task2的周期到了，因?yàn)閠ask2優(yōu)先級(jí)高就會(huì)搶占task3，task2運(yùn)行完了再接著運(yùn)行task2，task2運(yùn)行期間，由于task1優(yōu)先級(jí)高，一旦task1等待的事件到了就會(huì)搶占task2。

有相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)的情況：

task1是優(yōu)先級(jí)最高的事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)，task2是和Idle task優(yōu)先級(jí)相同的持續(xù)處理型任務(wù)。

task2和空閑任務(wù)就會(huì)輪流運(yùn)行，而task1則可以搶占task2和空閑任務(wù)。

假如空閑任務(wù)里其實(shí)沒做什么事情，我們想讓和空閑任務(wù)相同優(yōu)先級(jí)的Task2有更多的運(yùn)行時(shí)間就可以配置configIDLE_SHOULD_YIELD。

如果configIDLE_SHOULD_YIELD設(shè)置為0，那么空閑任務(wù)將在整個(gè)時(shí)間片中保持運(yùn)行狀態(tài)，除非它被更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占。

如果configIDLE_SHOULD_YIELD設(shè)置為1，如果有其他空閑優(yōu)先級(jí)任務(wù)處于就緒狀態(tài)，那么空閑任務(wù)將主動(dòng)讓出運(yùn)行時(shí)間。

2.2

不帶時(shí)間片的搶占式調(diào)度

配置如下時(shí)，調(diào)度算法就會(huì)變成不帶時(shí)間片的搶占式調(diào)度

configUSE_PREEMPTION 1

configUSE_TIME_SLICING 0

和前面的唯一區(qū)別就是相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)之間不會(huì)隨時(shí)間自動(dòng)切換。

如果不使用時(shí)間片，那么調(diào)度程序只會(huì)在發(fā)生這兩種情況時(shí)，進(jìn)行任務(wù)切換：

1

優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入“就緒”態(tài)。

2

運(yùn)行態(tài)任務(wù)變?yōu)樽枞麘B(tài)或被掛起。

很顯然，不使用時(shí)間片時(shí)，任務(wù)切換的情況會(huì)變少，所以關(guān)閉時(shí)間切片可以減少調(diào)度器的處理開銷。但是關(guān)閉時(shí)間切片也可能導(dǎo)致具有相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)獲得的處理時(shí)間相差很大。因此，一定要慎重使用。

task1為最高優(yōu)先級(jí)的事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)，task2和Idle task有相同的優(yōu)先級(jí)。但是由于關(guān)閉了時(shí)間片，任務(wù)切換只會(huì)在空閑任務(wù)阻塞或者掛起或者task1搶占后發(fā)生，所以空閑任務(wù)和task2雖然優(yōu)先級(jí)相同，但是明顯空閑任務(wù)占有的時(shí)間長(zhǎng)很多。

2.3

協(xié)同調(diào)度

configUSE_PREEMPTION 0

configUSE_TIME_SLICINGx

當(dāng)使用協(xié)同調(diào)度時(shí)，只有當(dāng)運(yùn)行態(tài)任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，或者運(yùn)行態(tài)任務(wù)通過調(diào)用taskYIELD()主動(dòng)讓出，才會(huì)發(fā)生任務(wù)切換。

任務(wù)永遠(yuǎn)不會(huì)被搶占，不能使用時(shí)間片，時(shí)間片配置的值隨便，無所謂。

task1、2、3優(yōu)先級(jí)依次變低，剛開始task3運(yùn)行，雖然task1和2優(yōu)先級(jí)高，并且沒有阻塞，但是也無法搶占，task3調(diào)用taskYIELD()，主動(dòng)讓出，因?yàn)閠ask1優(yōu)先級(jí)比task2高，task1就運(yùn)行了，task1運(yùn)行夠了進(jìn)入阻塞態(tài)，由于task2比task3優(yōu)先級(jí)高，task2就運(yùn)行了。

在RZ/T2L上做的實(shí)驗(yàn)

如果兩個(gè)參數(shù)設(shè)置為：configUSE_PREEMPTION =0，configUSE_TIME_SLICING= 0或者1（隨便） 稱之為協(xié)同調(diào)度，當(dāng)使用協(xié)同調(diào)度時(shí)，只有當(dāng)運(yùn)行態(tài)任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，或者運(yùn)行態(tài)任務(wù)通過調(diào)用taskYIELD()主動(dòng)讓出，才會(huì)發(fā)生任務(wù)切換。

任務(wù)永遠(yuǎn)不會(huì)被搶占，不能使用時(shí)間片，時(shí)間片配置的值隨便。我做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)截圖如下：

上面的實(shí)驗(yàn)說明“只有當(dāng)運(yùn)行態(tài)任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，或者運(yùn)行態(tài)任務(wù)通過調(diào)用taskYIELD()主動(dòng)讓出，才會(huì)發(fā)生任務(wù)切換”，此時(shí)與時(shí)間片1 ms已經(jīng)沒有什么關(guān)系了。

如果兩個(gè)參數(shù)設(shè)置為 configUSE_PREEMPTION =1，configUSE_TIME_SLICING=1， 此時(shí)只有兩個(gè)任務(wù)并且優(yōu)先級(jí)相同，每個(gè)任務(wù)都持續(xù)做一件事情就會(huì)出現(xiàn)時(shí)間征為1ms的輪轉(zhuǎn)情況：

通過上面的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以說明，時(shí)間片存的意義是相同優(yōu)先級(jí)并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的處理任務(wù)，需要平等分享CPU使用權(quán)。但是如果一旦有一方主動(dòng)放棄CPU或者阻塞或者更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)來了，調(diào)度器是不會(huì)等待一個(gè)時(shí)間片完全結(jié)束，再去調(diào)度就緒列表中的任務(wù)的，而是直接調(diào)用就緒列表里的第一個(gè)任務(wù)。這樣的設(shè)計(jì)我認(rèn)為是合理的，如果一定要等待時(shí)間片結(jié)束，是存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)的。

審核編輯：劉清