淺析FreeRTOS任務調度器的三種調度算法和應用

FreeRTOS在MCU領域應用非常廣泛，今天就給大家講解一下FreeRTOS調度器中的三種調度算法，以及在瑞薩RZ/T2L MPU中的應用。

1.任務狀態(tài)和事件的概述

RTOS，即實時操作系統(tǒng)，是一種能夠在規(guī)定時間內響應外部事件或數(shù)據(jù)，并控制生產(chǎn)過程或對處理系統(tǒng)做出快速響應的操作系統(tǒng)。RTOS通過調度一切可利用的資源完成實時任務，并控制所有實時任務協(xié)調一致運行。RTOS的主要特點包括提供及時響應和高可靠性。

在RTOS中，任務狀態(tài)通常包括以下幾種：

就緒態(tài)（Ready）：任務已經(jīng)準備好執(zhí)行，所有必要資源都已經(jīng)準備就緒，只等待RTOS調度器選中并分配CPU時間。新創(chuàng)建的任務通常立即進入就緒狀態(tài)，等待調度器的調度。

運行態(tài)（Running）：任務正在執(zhí)行，占據(jù)了CPU資源。當任務被RTOS調度器選中后，其上下文會被加載到CPU寄存器中，開始執(zhí)行任務代碼。

阻塞態(tài)（Blocked）：任務暫時不能執(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，任務會重新進入就緒狀態(tài)，等待調度器的調度。

掛起態(tài)（Suspended）：任務被主動掛起，不參與調度，需要手動恢復才能回到就緒態(tài)。掛起狀態(tài)的任務不會執(zhí)行，直到被其他任務或中斷調用特定的API函數(shù)恢復。

RTOS中的事件是指能夠觸發(fā)任務狀態(tài)改變或任務執(zhí)行的某些外部或內部發(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等。RTOS通過事件來同步和協(xié)調任務的執(zhí)行，確保它們能夠按照預期的方式和時間順序運行。

2.FreeRTOS調度算法

FreeRTOS它支持多種任務調度算法，可通過配置來滿足不同應用的需求。

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也會影響調度算法，因為使用它會導致tick中斷在很長一段時間內被完全關閉。

configUSE_TICKLESS_IDLE是一個高級選項，專門用于必須最小化功耗的應用程序。configUSE_TICKLESS_IDLE在之后解說。

對于相同優(yōu)先級的任務，F(xiàn)reeRTOS調度器依次選中相同優(yōu)先級的任務進入運行態(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)先級的任務之間運行相同的時間，只能保證同等優(yōu)先級的“就緒”任務會依次進入“運行”態(tài)。

2.1

基于時間片的搶占式調度

如果按照如下配置：

configUSE_PREEMPTION 1

configUSE_TIME_SLICING 1

FreeRTOS調度器使用一種稱為“基于時間片的固定優(yōu)先級搶占式調度”的調度算法，這是大多數(shù)小型RTOS應用程序使用的調度算法。

固定優(yōu)先級

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

搶占式調度

在優(yōu)先級高于運行態(tài)任務的任務進入就緒態(tài)時，調度器立即讓這個高優(yōu)先級的任務“搶占”運行態(tài)任務。被搶占意味著任務移出運行態(tài)并進入就緒態(tài)，并不是因為任務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)先級的任務之間共享處理時間，即使任務沒有顯式地讓步或進入阻塞狀態(tài)。使用“時間片”的調度算法將在每個時間片結束時選擇一個新任務進入運行狀態(tài)，如果有其他與運行任務具有相同優(yōu)先級的就緒狀態(tài)任務。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)先級搶占式調度”算法搶占調度任務的調度過程。

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

task1周期性運行，阻塞時，空閑任務就會運行，task3的事件到達就會搶占空閑任務，task3運行期間，如果task2的周期到了，因為task2優(yōu)先級高就會搶占task3，task2運行完了再接著運行task2，task2運行期間，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)先級任務的情況：

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

task2和空閑任務就會輪流運行，而task1則可以搶占task2和空閑任務。

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

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

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

2.2

不帶時間片的搶占式調度

配置如下時，調度算法就會變成不帶時間片的搶占式調度

configUSE_PREEMPTION 1

configUSE_TIME_SLICING 0

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

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

1

優(yōu)先級更高的任務進入“就緒”態(tài)。

2

運行態(tài)任務變?yōu)樽枞麘B(tài)或被掛起。

很顯然，不使用時間片時，任務切換的情況會變少，所以關閉時間切片可以減少調度器的處理開銷。但是關閉時間切片也可能導致具有相同優(yōu)先級的任務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)先級的事件驅動任務，task2和Idle task有相同的優(yōu)先級。但是由于關閉了時間片，任務切換只會在空閑任務阻塞或者掛起或者task1搶占后發(fā)生，所以空閑任務和task2雖然優(yōu)先級相同，但是明顯空閑任務占有的時間長很多。

2.3

協(xié)同調度

configUSE_PREEMPTION 0

configUSE_TIME_SLICINGx

當使用協(xié)同調度時，只有當運行態(tài)任務進入阻塞態(tài)，或者運行態(tài)任務通過調用taskYIELD()主動讓出，才會發(fā)生任務切換。

任務永遠不會被搶占，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調用taskYIELD()，主動讓出，因為task1優(yōu)先級比task2高，task1就運行了，task1運行夠了進入阻塞態(tài)，由于task2比task3優(yōu)先級高，task2就運行了。

在RZ/T2L上做的實驗

如果兩個參數(shù)設置為：configUSE_PREEMPTION =0，configUSE_TIME_SLICING= 0或者1（隨便） 稱之為協(xié)同調度，當使用協(xié)同調度時，只有當運行態(tài)任務進入阻塞態(tài)，或者運行態(tài)任務通過調用taskYIELD()主動讓出，才會發(fā)生任務切換。

任務永遠不會被搶占，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“只有當運行態(tài)任務進入阻塞態(tài)，或者運行態(tài)任務通過調用taskYIELD()主動讓出，才會發(fā)生任務切換”，此時與時間片1 ms已經(jīng)沒有什么關系了。

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

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，需要平等分享CPU使用權。但是如果一旦有一方主動放棄CPU或者阻塞或者更高優(yōu)先級任務來了，調度器是不會等待一個時間片完全結束，再去調度就緒列表中的任務的，而是直接調用就緒列表里的第一個任務。這樣的設計我認為是合理的，如果一定要等待時間片結束，是存在嚴重的資源浪費的。

審核編輯：劉清