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FreeRTOS 時間管理

時間管理包括兩個方面：系統(tǒng)節(jié)拍以及任務(wù)延時管理。

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系統(tǒng)節(jié)拍：

在前面的文章也講得很多，想要系統(tǒng)正常運(yùn)行，那么時鐘節(jié)拍是必不可少的，FreeRTOS的時鐘節(jié)拍通常由SysTick提供，它周期性的產(chǎn)生定時中斷，所謂的時鐘節(jié)拍管理的核心就是這個定時中斷的服務(wù)程序。FreeRTOS的時鐘節(jié)拍isr中核心的工作就是調(diào)用 vTaskIncrementTick() 函數(shù)。具體見上之前的文章。

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今天主要講解延時的實(shí)現(xiàn)

FreeRTOS提供了兩個系統(tǒng)延時函數(shù)：

**相對延時函數(shù)vTaskDelay() **

絕對延時函數(shù)vTaskDelayUntil()。

這些延時函數(shù)可不像我們以前用裸機(jī)寫代碼的延時函數(shù)操作系統(tǒng)不允許CPU在死等消耗著時間，因?yàn)檫@樣效率太低了。

同時，要告誡學(xué)操作系統(tǒng)的同學(xué)，千萬別用裸機(jī)的思想去學(xué)操作系統(tǒng)。

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任務(wù)延時

任務(wù)可能需要延時，兩種情況，一種是任務(wù)被vTaskDelay或者vTaskDelayUntil延時，另外一種情況就是任務(wù)等待事件（比如等待某個信號量、或者某個消息隊(duì)列）時候指定了 timeout （即最多等待timeout時間，如果等待的事件還沒發(fā)生，則不再繼續(xù)等待），在每個任務(wù)的循環(huán)中都必須要有阻塞的情況出現(xiàn)，否則比該任務(wù)優(yōu)先級低的任務(wù)就永遠(yuǎn)無法運(yùn)行。

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相對延時與絕對延時的區(qū)別

相對延時：vTaskDelay()：

相對延時是指每次延時都是從任務(wù)執(zhí)行函數(shù) vTaskDelay() 開始，延時指定的時間結(jié)束

絕對延時：vTaskDelayUntil()：

絕對延時是指調(diào)用 vTaskDelayUntil() 的任務(wù)每隔x時間運(yùn)行一次。也就是任務(wù)周期運(yùn)行。

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相對延時：vTaskDelay()

相對延時 vTaskDelay() 是從調(diào)用 vTaskDelay() 這個函數(shù)的時候開始延時，但是任務(wù)執(zhí)行的時候，可能發(fā)生了中斷，導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行時間變長了，但是整個任務(wù)的延時時間還是1000個 tick ，這就不是周期性了，簡單看看下面代碼：

void vTaskA( void * pvParameters )  
 {  
    while(1) 
     {  
         //  ...
         //  這里為任務(wù)主體代碼
         //  ...

         /* 調(diào)用相對延時函數(shù),阻塞1000個tick */
         vTaskDelay( 1000 );  
     }  
}

可能說的不夠明確，可以看看圖解。

當(dāng)任務(wù)運(yùn)行的時候，假設(shè)被某個高級任務(wù)或者是中斷打斷了，那么任務(wù)的執(zhí)行時間就更長了，然而延時還是延時1000個tick這樣子，整個系統(tǒng)的時間就混亂了。

如果還不夠明確，看看 vTaskDelay() 的源碼

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
    {
    BaseType_t xAlreadyYielded = pdFALSE;

        /* 延遲時間為零只會強(qiáng)制切換任務(wù)。 */
        if( xTicksToDelay > ( TickType_t ) 0U )     (1)
        {
            configASSERT( uxSchedulerSuspended == 0 );
            vTaskSuspendAll();                      (2)
            {
                traceTASK_DELAY();
                /*將當(dāng)前任務(wù)從就緒列表中移除,并根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)節(jié)拍
                計(jì)數(shù)器值計(jì)算喚醒時間,然后將任務(wù)加入延時列表 */
                prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay, pdFALSE );
            }
            xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }

        /* 強(qiáng)制執(zhí)行一次上下文切換 */
        if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
        {
            portYIELD_WITHIN_API();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }

(1):如果傳遞進(jìn)來的延時時間是0，只能進(jìn)行強(qiáng)制切換任務(wù)了，調(diào)用的是 portYIELD_WITHIN_API() ，它其實(shí)是一個宏，真正起作用的是 portYIELD() ，下面是它的源碼：

#define portYIELD()                                                \\
{                                                                \\
    /* 設(shè)置PendSV以請求上下文切換。 */                         \\
    portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;             \\

    __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );                            \\
    __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );                            \\
}

(2):掛起當(dāng)前任務(wù)

然后將當(dāng)前任務(wù)從就緒列表刪除，然后加入到延時列表。是調(diào)用函數(shù) prvAddCurrentTaskToDelayedList() 完成這一過程的。由于這個函數(shù)篇幅過長，就不講解了，有興趣可以看看，我就簡單說說過程。在FreeRTOS中有這么一個變量，是用來記錄systick的值的。

PRIVILEGED_DATA static volatile TickType_t xTickCount     = ( TickType_t ) 0U;

在每次tick中斷時xTickCount加一，它的值表示了系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)，那么啥時候喚醒被加入延時列表的任務(wù)呢？其實(shí)很簡單，FreeRTOS的做法將 xTickCount (當(dāng)前系統(tǒng)時間)+ xTicksToDelay (要延時的時間)即可。當(dāng)這個相對的延時時間到了之后就喚醒了，這個 (xTickCount+ xTicksToDelay) 時間會被記錄在該任務(wù)的任務(wù)控制塊中。

看到這肯定有人問，這個變量是TickType_t類型(32位)的，那肯定會溢出啊，沒錯，是變量都會有溢出的一天，可是FreeRTOS乃是世界第一的操作系統(tǒng)啊，FreeRTOS使用了兩個延時列表：

** xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2，**

并使用兩個列表指針類型變量pxDelayedTaskList和pxOverflowDelayedTaskList分別指向上面的延時列表1和延時列表2（在創(chuàng)建任務(wù)時將延時列表指針指向延時列表）如果內(nèi)核判斷出xTickCount+xTicksToDelay溢出，就將當(dāng)前任務(wù)掛接到列表指針 pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。當(dāng)時間到了，就會將延時的任務(wù)從延時列表中刪除，加入就緒列表中，當(dāng)然這時候就是由調(diào)度器覺得任務(wù)能不能運(yùn)行了，如果任務(wù)的優(yōu)先級大于當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)，那么調(diào)度器才會進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。

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絕對延時：vTaskDelayUntil()

vTaskDelayUntil（） 的參數(shù)指定了確切的滴答計(jì)數(shù)值

調(diào)用 vTaskDelayUntil（） 是希望任務(wù)以固定頻率定期執(zhí)行，而不受外部的影響，任務(wù)從上一次運(yùn)行開始到下一次運(yùn)行開始的時間間隔是絕對的，而不是相對的。

下面看看 vTaskDelayUntil() 的使用方法，注意了，這 vTaskDelayUntil() 的使用方法與 vTaskDelay() 不一樣：

void vTaskA( void * pvParameters )  
 {  
    /* 用于保存上次時間。調(diào)用后系統(tǒng)自動更新 */
    static portTickType PreviousWakeTime;
    /* 設(shè)置延時時間，將時間轉(zhuǎn)為節(jié)拍數(shù) */
    const portTickType TimeIncrement = pdMS_TO_TICKS(1000); 
    /* 獲取當(dāng)前系統(tǒng)時間 */
    PreviousWakeTime = xTaskGetTickCount(); 
    while(1) 
     {  

         /* 調(diào)用絕對延時函數(shù),任務(wù)時間間隔為1000個tick */
         vTaskDelayUntil( &PreviousWakeTime，TimeIncrement );  

         //  ...
         //  這里為任務(wù)主體代碼
         //  ...

     }  
}

在使用的時候要將延時時間轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)節(jié)拍，在任務(wù)主體之前要調(diào)用延時函數(shù)。

任務(wù)會先調(diào)用 vTaskDelayUntil() 使任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，等到時間到了就從阻塞中解除，然后執(zhí)行主體代碼，任務(wù)主體代碼執(zhí)行完畢。會繼續(xù)調(diào)用 vTaskDelayUntil() 使任務(wù)進(jìn)入阻塞態(tài)，然后就是循環(huán)這樣子執(zhí)行。即使任務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生中斷，那么也不會影響這個任務(wù)的運(yùn)行周期，僅僅是縮短了阻塞的時間而已。

下面來看看vTaskDelayUntil()的源碼：

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement )
    {
    TickType_t xTimeToWake;
    BaseType_t xAlreadyYielded, xShouldDelay = pdFALSE;

        configASSERT( pxPreviousWakeTime );
        configASSERT( ( xTimeIncrement > 0U ) );
        configASSERT( uxSchedulerSuspended == 0 );

        vTaskSuspendAll();                                  (1)
        {
            /* 保存系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器 */
            const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;

            /* 生成任務(wù)要喚醒的滴答時間。*/
            xTimeToWake = *pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement;

        /* pxPreviousWakeTime中保存的是上次喚醒時間,喚醒后需要一定時間執(zhí)行任務(wù)主體代碼,
            如果上次喚醒時間大于當(dāng)前時間,說明節(jié)拍計(jì)數(shù)器溢出了 具體見圖片 */
            if( xConstTickCount < *pxPreviousWakeTime )
            {
                / *由于此功能，滴答計(jì)數(shù)已溢出
                    持續(xù)呼喚。 在這種情況下，我們唯一的時間
                    實(shí)際延遲是如果喚醒時間也溢出，
                    喚醒時間大于滴答時間。 當(dāng)這個
                    就是這樣，好像兩個時間都沒有溢出。*/
                if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) && ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )
                {
                    xShouldDelay = pdTRUE;
                }
                else
                {
                    mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
                }
            }
            else
            {
                /  *滴答時間沒有溢出。 在這種情況下，如果喚醒時間溢出，
                    或滴答時間小于喚醒時間，我們將延遲。*/

                if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) || ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )
                {
                    xShouldDelay = pdTRUE;
                }
                else
                {
                    mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
                }
            }

            /* 更新喚醒時間,為下一次調(diào)用本函數(shù)做準(zhǔn)備. */
            *pxPreviousWakeTime = xTimeToWake;

            if( xShouldDelay != pdFALSE )
            {
                traceTASK_DELAY_UNTIL( xTimeToWake );

                /* prvAddCurrentTaskToDelayedList（）需要塊時間，而不是喚醒時間，因此減去當(dāng)前的滴答計(jì)數(shù)。 */
                prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTimeToWake - xConstTickCount, pdFALSE );
            }
            else
            {
                mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
            }
        }
        xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();

        /* 如果xTaskResumeAll尚未執(zhí)行重新安排，我們可能會讓自己入睡。*/
        if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
        {
            portYIELD_WITHIN_API();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }

與相對延時函數(shù)vTaskDelay不同，本函數(shù)增加了一個參數(shù)pxPreviousWakeTime用于指向一個變量，變量保存上次任務(wù)解除阻塞的時間，此后函數(shù) vTaskDelayUntil() 在內(nèi)部自動更新這個變量。由于變量xTickCount可能會溢出，所以程序必須檢測各種溢出情況，并且要保證延時周期不得小于任務(wù)主體代碼執(zhí)行時間。

就會有以下3種情況，才能將任務(wù)加入延時鏈表中。

請記住這幾個單詞的含義：

** xTimeIncrement：任務(wù)周期時間

pxPreviousWakeTime：上一次喚醒的時間點(diǎn)

xTimeToWake：下一次喚醒的系統(tǒng)時間點(diǎn)

xConstTickCount：進(jìn)入延時的時間點(diǎn)**

第三種情況：常規(guī)無溢出的情況。

以時間為橫軸，上一次喚醒的時間點(diǎn)小于下一次喚醒的時間點(diǎn)，這是很正常的情況。

第二種情況：喚醒時間計(jì)數(shù)器 （xTimeToWake） 溢出情況。

也就是代碼中*if( ( xTimeToWake < pxPreviousWakeTime ) || ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )

第一種情況：喚醒時間 （xTimeToWake） 與進(jìn)入延時的時間點(diǎn) （xConstTickCount） 都溢出情況。

也就是代碼中*if( ( xTimeToWake < pxPreviousWakeTime ) && ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )

從圖中可以看出不管是溢出還是無溢出，都要求在下次喚醒任務(wù)之前，當(dāng)前任務(wù)主體代碼必須被執(zhí)行完。也就是說任務(wù)執(zhí)行的時間不允許大于延時的時間，總不能存在每10ms就要執(zhí)行一次20ms時間的任務(wù)吧。計(jì)算的喚醒時間合法后，就將當(dāng)前任務(wù)加入延時列表，同樣延時列表也有兩個。每次系統(tǒng)節(jié)拍中斷，中斷服務(wù)函數(shù)都會檢查這兩個延時列表，查看延時的任務(wù)是否到期，如果時間到期，則將任務(wù)從延時列表中刪除，重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù)，則會觸發(fā)一次上下文切換。

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總結(jié)

如果任務(wù)調(diào)用相對延時，其運(yùn)行周期完全是不可測的，如果任務(wù)的優(yōu)先級不是最高的話，其誤差更大，就好比一個必須要在5ms內(nèi)相應(yīng)的任務(wù)，假如使用了相對延時 1ms ，那么很有可能在該任務(wù)執(zhí)行的時候被更高優(yōu)先級的任務(wù)打斷，從而錯過5ms內(nèi)的相應(yīng)，但是調(diào)用絕對延時，則任務(wù)會周期性將該任務(wù)在阻塞列表中解除，但是，任務(wù)能不能運(yùn)行，還得取決于任務(wù)的優(yōu)先級，如果優(yōu)先級最高的話，任務(wù)周期還是比較精確的（相對vTaskDelay來說），如果想要更加想精確周期性執(zhí)行某個任務(wù)，可以使用系統(tǒng)節(jié)拍鉤子函數(shù) vApplicationTickHook() ，它在tick中斷服務(wù)函數(shù)中被調(diào)用，因此這個函數(shù)中的代碼必須簡潔，并且不允許出現(xiàn)阻塞的情況。

本文是杰杰原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請說明出處。