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，即實時操作系統(tǒng)，是一種能夠在規(guī)定時間內(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時任務(wù)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行。RTOS的主要特點包括提供及時響應(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)暫時不能執(zhí)行，通常是因為等待某些外部事件，如I/O操作完成、定時器到期、信號量或互斥量被釋放等。一旦這些事件發(fā)生，任務(wù)會重新進(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)被主動掛起，不參與調(diào)度，需要手動恢復(fù)才能回到就緒態(tài)。掛起狀態(tài)的任務(wù)不會執(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、定時器到期、消息隊列中的消息到達(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。這兩個常量都在FreeRTOSConfig.h中定義。

還有個配置常數(shù)configUSE_TICKLESS_IDLE也會影響調(diào)度算法，因為使用它會導(dǎo)致tick中斷在很長一段時間內(nèi)被完全關(guān)閉。

configUSE_TICKLESS_IDLE是一個高級選項，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。

對于相同優(yōu)先級的任務(wù)，F(xiàn)reeRTOS調(diào)度器依次選中相同優(yōu)先級的任務(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)先級的任務(wù)之間運(yùn)行相同的時間，只能保證同等優(yōu)先級的“就緒”任務(wù)會依次進(jìn)入“運(yùn)行”態(tài)。

2.1

基于時間片的搶占式調(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“基于時間片的固定優(yōu)先級搶占式調(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

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

搶占式調(diào)度

在優(yōu)先級高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)時，調(diào)度器立即讓這個高優(yōu)先級的任務(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)，并不是因為任務(wù)自己主動讓出或者阻塞。

時間片

時間片用于在具有相同優(yōu)先級的任務(wù)之間共享處理時間，即使任務(wù)沒有顯式地讓步或進(jìn)入阻塞狀態(tài)。使用“時間片”的調(diào)度算法將在每個時間片結(jié)束時選擇一個新任務(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)先級的就緒狀態(tài)任務(wù)。一個時間片等于兩個RTOS tick中斷之間的時間。

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

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

task1周期性運(yùn)行，阻塞時，空閑任務(wù)就會運(yùn)行，task3的事件到達(dá)就會搶占空閑任務(wù)，task3運(yùn)行期間，如果task2的周期到了，因為task2優(yōu)先級高就會搶占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)先級高，一旦task1等待的事件到了就會搶占task2。

有相同優(yōu)先級任務(wù)的情況：

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

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

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

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

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

2.2

不帶時間片的搶占式調(diào)度

配置如下時，調(diào)度算法就會變成不帶時間片的搶占式調(diào)度

configUSE_PREEMPTION 1

configUSE_TIME_SLICING 0

和前面的唯一區(qū)別就是相同優(yōu)先級的任務(wù)之間不會隨時間自動切換。

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

1

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

task1為最高優(yōu)先級的事件驅(qū)動任務(wù)，task2和Idle task有相同的優(yōu)先級。但是由于關(guān)閉了時間片，任務(wù)切換只會在空閑任務(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)先級相同，但是明顯空閑任務(wù)占有的時間長很多。

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，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()主動讓出，才會發(fā)生任務(wù)切換。

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

task1、2、3優(yōu)先級依次變低，剛開始task3運(yùn)行，雖然task1和2優(yōu)先級高，并且沒有阻塞，但是也無法搶占，task3調(diào)用taskYIELD()，主動讓出，因為task1優(yōu)先級比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)先級高，task2就運(yùn)行了。

在RZ/T2L上做的實驗

如果兩個參數(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，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()主動讓出，才會發(fā)生任務(wù)切換。

任務(wù)永遠(yuǎn)不會被搶占，不能使用時間片，時間片配置的值隨便。我做了一個實驗截圖如下：

上面的實驗說明“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()主動讓出，才會發(fā)生任務(wù)切換”，此時與時間片1 ms已經(jīng)沒有什么關(guān)系了。

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

通過上面的兩個實驗可以說明，時間片存的意義是相同優(yōu)先級并且持續(xù)時間較長的處理任務(wù)，需要平等分享CPU使用權(quán)。但是如果一旦有一方主動放棄CPU或者阻塞或者更高優(yōu)先級任務(wù)來了，調(diào)度器是不會等待一個時間片完全結(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任務(wù)。這樣的設(shè)計我認(rèn)為是合理的，如果一定要等待時間片結(jié)束，是存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)的。

審核編輯：劉清