微控制器實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)踐—了解RTOS任務(wù)

了解RTOS任務(wù)

超級(jí)循環(huán)編程范式通常是嵌入式系統(tǒng)工程師最先接觸到的編程方法之一。用超級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)的程序有一個(gè)單一的頂層循環(huán)，在系統(tǒng)需要執(zhí)行的各種功能之間循環(huán)。這些簡(jiǎn)單的while循環(huán)很容易創(chuàng)建和理解（當(dāng)它們很小的時(shí)候）。在FreeRTOS中，任務(wù)與超級(jí)循環(huán)非常相似--主要區(qū)別在于，系統(tǒng)可以有一個(gè)以上的任務(wù)，但只有一個(gè)超級(jí)循環(huán)。

在本章中，我們將仔細(xì)研究超級(jí)循環(huán)和用它們實(shí)現(xiàn)一定程度的并行性的不同方法。之后，將對(duì)超級(jí)循環(huán)和任務(wù)進(jìn)行比較，并從理論上介紹任務(wù)執(zhí)行的思維方式。最后，我們將看看任務(wù)是如何通過RTOS內(nèi)核實(shí)際執(zhí)行的，并比較兩種基本的調(diào)度算法。

超級(jí)循環(huán)編程介紹

所有的嵌入式系統(tǒng)都有一個(gè)共同的特性--它們沒有退出點(diǎn)。由于其性質(zhì)，嵌入式代碼通常被期望總是可用的--靜靜地在后臺(tái)運(yùn)行，處理內(nèi)務(wù)工作，并隨時(shí)準(zhǔn)備接受用戶的輸入。與旨在啟動(dòng)和停止程序的桌面環(huán)境不同，如果微控制器退出main()函數(shù)，它就沒有任何事情可做。如果發(fā)生這種情況，很可能是整個(gè)設(shè)備已經(jīng)停止運(yùn)作。由于這個(gè)原因，嵌入式系統(tǒng)中的main()函數(shù)從不返回。與應(yīng)用程序不同的是，應(yīng)用程序是由其主機(jī)操作系統(tǒng)啟動(dòng)和停止的，大多數(shù)基于嵌入式MCU的應(yīng)用程序在上電時(shí)開始，在系統(tǒng)斷電時(shí)突然結(jié)束。由于這種突然的關(guān)閉，嵌入式應(yīng)用程序通常沒有任何通常與應(yīng)用程序相關(guān)的關(guān)閉任務(wù)，如釋放內(nèi)存和資源。

下面的代碼代表了超級(jí)循環(huán)的基本思想：

void main ( void )
{
    while(1)
    {
        func1();
        func2();
        func3();
        //do useful stuff, but don't return
        //(otherwise, where would we go. . what would we do. . .?!)
    }
}

雖然非常簡(jiǎn)單，但前面的代碼有許多值得指出的特點(diǎn)。while循環(huán)從不返回--它一直在執(zhí)行同樣的三個(gè)函數(shù)（這是故意的）。這三個(gè)看似無害的函數(shù)調(diào)用可以在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中隱藏一些令人討厭的驚喜。

基本的超級(jí)循環(huán)

這個(gè)從不返回的主循環(huán)一般被稱為超級(jí)循環(huán)。超級(jí)循環(huán)總是很有趣，因?yàn)樗梢?a target="_blank">控制系統(tǒng)中的大多數(shù)事情--除非超級(jí)循環(huán)使之發(fā)生，否則下圖中的任何事情都無法完成。這種類型的設(shè)置非常適合于非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，只需要執(zhí)行一些不需要花費(fèi)大量時(shí)間的任務(wù)?；镜某?jí)循環(huán)結(jié)構(gòu)非常容易編寫和理解；如果你想解決的問題可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的超級(jí)循環(huán)來完成，那么就使用一個(gè)簡(jiǎn)單的超級(jí)循環(huán)。下面是前面介紹的代碼的執(zhí)行流程--每個(gè)函數(shù)都是按順序調(diào)用的，而且循環(huán)永不退出：

實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的超級(jí)環(huán)路

當(dāng)簡(jiǎn)單的超級(jí)循環(huán)快速運(yùn)行時(shí)（通常是因?yàn)樗鼈兊墓δ?責(zé)任有限），它們的響應(yīng)速度相當(dāng)快。然而，超級(jí)循環(huán)的簡(jiǎn)單性可能是一種祝福，也是一種詛咒。由于每個(gè)函數(shù)總是跟在前面的函數(shù)后面，它們總是以相同的順序被調(diào)用，并且完全相互依賴。一個(gè)函數(shù)引入的任何延遲都會(huì)傳播到下一個(gè)函數(shù)，從而導(dǎo)致執(zhí)行該循環(huán)迭代的總時(shí)間增加（如下圖所示）。如果func1在循環(huán)中執(zhí)行一次需要10毫秒，而下一次需要100毫秒，那么func2在循環(huán)中第二次被調(diào)用的時(shí)間就不會(huì)像第一次那樣快：

讓我們更深入地看一下這個(gè)問題。在上圖中，func3負(fù)責(zé)檢查一個(gè)代表外部事件的標(biāo)志的狀態(tài)（這個(gè)事件是一個(gè)信號(hào)的上升沿）。func3檢查標(biāo)志的頻率取決于func1和func2執(zhí)行的時(shí)間。一個(gè)設(shè)計(jì)良好、反應(yīng)靈敏的超級(jí)循環(huán)通常會(huì)執(zhí)行得非常快，檢查事件的頻率要比事件發(fā)生的頻率高（呼出B）。當(dāng)外部事件確實(shí)發(fā)生時(shí)，該循環(huán)直到func3的下一次執(zhí)行才檢測(cè)到該事件（呼出A、C和D）。注意，在事件產(chǎn)生和func3檢測(cè)到它之間有一個(gè)延遲。還要注意的是，這個(gè)延遲并不總是一致的：這種時(shí)間上的差異被稱為抖動(dòng)。

在許多基于超級(jí)循環(huán)的系統(tǒng)中，與被輪詢的緩慢發(fā)生的事件相比，超級(jí)循環(huán)的執(zhí)行速度非常高。我們?cè)陧撁嫔蠜]有足夠的空間來顯示循環(huán)在檢測(cè)到事件之間執(zhí)行數(shù)百次（或數(shù)千次）的迭代！這就是所謂的抖動(dòng)！

如果系統(tǒng)在響應(yīng)事件時(shí)有一個(gè)已知的最大抖動(dòng)量，它被認(rèn)為是確定性的。也就是說，它將在事件發(fā)生后的指定時(shí)間內(nèi)對(duì)事件作出可靠的反應(yīng)。高水平的確定性對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的時(shí)間關(guān)鍵型組件是至關(guān)重要的，因?yàn)槿绻麤]有它，系統(tǒng)可能無法及時(shí)響應(yīng)重要的事件。

考慮到循環(huán)反復(fù)檢查硬件標(biāo)志的事件（這被稱為輪詢）。循環(huán)越緊密，標(biāo)志被檢查的速度就越快--當(dāng)標(biāo)志經(jīng)常被檢查時(shí)，代碼將對(duì)感興趣的事件做出更多的反應(yīng)。如果我們有需要及時(shí)采取行動(dòng)的事件，我們可以只寫非常緊密的循環(huán)，等待重要事件的發(fā)生。這種方法是有效的--但前提是該事件是系統(tǒng)唯一感興趣的事情。如果整個(gè)系統(tǒng)唯一的責(zé)任就是觀察該事件（沒有后臺(tái)I/O、通信等），那么這是一個(gè)有效的方法。這種類型的情況在今天復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)中很少發(fā)生。響應(yīng)性差是單純基于輪詢的系統(tǒng)的局限性。接下來，我們將看看如何在我們的超級(jí)循環(huán)中獲得更多的并行性。

用超級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)并行操作

盡管基本的超級(jí)循環(huán)只能按順序通過函數(shù)，但仍有辦法實(shí)現(xiàn)并行化。單片機(jī)有一些不同類型的專用硬件，它們被設(shè)計(jì)用來減輕CPU的一些負(fù)擔(dān)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)高度響應(yīng)的系統(tǒng)。本節(jié)將介紹這些系統(tǒng)以及如何在超級(jí)循環(huán)風(fēng)格的程序中使用它們。

中斷

對(duì)單一事件進(jìn)行輪詢不僅在CPU周期和功率方面是浪費(fèi)的--它還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)其他事物沒有反應(yīng)，這通常是應(yīng)該避免的。那么，我們?cè)鯓硬拍茏寙魏?a target="_blank">處理器并行地做事情呢？嗯，我們不能--畢竟只有一個(gè)處理器。...但由于我們的處理器很可能每秒運(yùn)行數(shù)百萬條指令，所以有可能讓它執(zhí)行足夠接近于并行的事情。MCU還包括用于生成中斷的專用硬件。中斷向MCU提供信號(hào)，使其在事件發(fā)生時(shí)直接跳到中斷服務(wù)程序（ISR interrupt service routine ）。這是一個(gè)非常關(guān)鍵的功能，ARM Cortex-M內(nèi)核為其提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)，稱為嵌套向量中斷控制器（NVIC nested vector interrupt controller。NVIC提供了一種處理中斷的通用方法。這個(gè)術(shù)語的嵌套部分標(biāo)志著即使是中斷也可以被其他具有更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷。這相當(dāng)方便，因?yàn)樗试S我們將系統(tǒng)中時(shí)間最關(guān)鍵的部分的延遲和抖動(dòng)量降到最低。

那么，中斷如何融入超級(jí)循環(huán)，以更好地實(shí)現(xiàn)并行活動(dòng)的假象？ISR內(nèi)部的代碼通常被保持得盡可能短，以盡量減少在中斷中花費(fèi)的時(shí)間。這一點(diǎn)很重要，有幾個(gè)原因。如果中斷發(fā)生得很頻繁，而且ISR包含很多指令，那么ISR就有可能在被再次調(diào)用之前不返回。對(duì)于UART(universal asynchronous receiver / transmitter)或SPI(serial peripheral interface)等通信外設(shè)來說，這將意味著數(shù)據(jù)丟失（這顯然是不可取的）。保持代碼簡(jiǎn)短的另一原因是其他中斷也需要得到服務(wù)，這就是為什么把任何責(zé)任推給不在ISR上下文中運(yùn)行的代碼是個(gè)好主意。

為了快速了解ISR是如何導(dǎo)致抖動(dòng)的，讓我們看看簡(jiǎn)單的例子：外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC analog to digital converter ）向MCU發(fā)出信號(hào)，表示已經(jīng)采集了讀數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)備傳送給MCU（參考這里的硬件圖）：

在ADC硬件中，有一個(gè)引腳專門用來指示模擬值的讀數(shù)已被轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示，并準(zhǔn)備傳輸給MCU。然后，MCU將通過通信介質(zhì)（圖中的COM）啟動(dòng)傳輸。

接下來，讓我們看看相對(duì)于轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備線的上升沿，ISR調(diào)用如何隨著時(shí)間的推移而相互疊加。下圖顯示了六個(gè)不同的ISR被調(diào)用以響應(yīng)信號(hào)的上升沿的情況。硬件中的上升沿與固件中的ISR被調(diào)用之間的少量時(shí)間是最小延遲。ISR響應(yīng)中的抖動(dòng)是許多不同周期中延遲的差異：

有不同的方法來最小化關(guān)鍵ISR的延時(shí)和抖動(dòng)。在基于ARM Cortex-M的MCU中，中斷優(yōu)先級(jí)是靈活的--在運(yùn)行時(shí)可以為單個(gè)中斷源分配不同的優(yōu)先級(jí)。重新確定中斷優(yōu)先級(jí)的能力是確保系統(tǒng)中最重要的部分在需要時(shí)獲得CPU的一種方式。

如前所述，保持在中斷中執(zhí)行的代碼量盡可能短是很重要的，因?yàn)樵贗SR中的代碼將優(yōu)先于任何不在ISR中的代碼（例如main()）。此外，較低優(yōu)先級(jí)的ISR不會(huì)被執(zhí)行，直到較高優(yōu)先級(jí)的ISR中的所有代碼都被執(zhí)行，并且ISR退出--這就是為什么保持ISR的簡(jiǎn)短是重要的。嘗試限制ISR的責(zé)任（以及因此而產(chǎn)生的代碼）總是好主意。

當(dāng)多個(gè)中斷被嵌套時(shí)，它們不會(huì)完全返回--實(shí)際上ARM Cortex M處理器有非常有用的功能，叫做中斷-尾部鏈。如果處理器檢測(cè)到一個(gè)中斷即將退出，但另一個(gè)中斷正在等待，那么下一個(gè)ISR將被執(zhí)行，而處理器不會(huì)完全恢復(fù)中斷前的狀態(tài)，這進(jìn)一步減少了延遲。

中斷和超級(jí)循環(huán)

在ISR中實(shí)現(xiàn)最小指令和責(zé)任的一種方法是在ISR中做盡可能少的工作，然后設(shè)置標(biāo)志，由超級(jí)循環(huán)中運(yùn)行的代碼來檢查。這樣一來，中斷就可以盡快得到服務(wù)，而不需要整個(gè)系統(tǒng)都致力于等待該事件。在下圖中，注意到在最后由func3處理之前，中斷是如何被多次產(chǎn)生的。

根據(jù)該中斷試圖實(shí)現(xiàn)的具體目標(biāo)，它通常會(huì)從相關(guān)的外設(shè)中獲取一個(gè)值并將其推入數(shù)組（或從數(shù)組中獲取值并將其送入外設(shè)寄存器）。在我們的外部ADC的情況下，ISR（每次ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)觸發(fā)）將出去到ADC，傳輸數(shù)字化的讀數(shù)，并將其存儲(chǔ)在RAM中，設(shè)置標(biāo)志，表明一個(gè)或多個(gè)值已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行處理。這使得中斷可以被多次服務(wù)，而不涉及高層代碼：

在通信外設(shè)傳輸大塊數(shù)據(jù)的情況下，可以用數(shù)組作為隊(duì)列來存儲(chǔ)要傳輸?shù)捻?xiàng)目。在整個(gè)傳輸結(jié)束時(shí)，可以設(shè)置標(biāo)志來通知主循環(huán)的完成。有很多例子可以說明隊(duì)列值是合適的情況。例如，如果需要對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行一些處理，首先收集數(shù)據(jù)，然后在中斷之外一起處理整個(gè)數(shù)據(jù)塊，這往往是有利的。中斷驅(qū)動(dòng)的方法并不是實(shí)現(xiàn)這種阻斷數(shù)據(jù)的唯一方法。

DMA

還記得處理器不可能真正做到并行的說法嗎？這仍然是事實(shí)。然而......現(xiàn)代的MCU不僅僅包含一個(gè)處理核心。當(dāng)我們的處理核心在處理指令時(shí)，還有許多其他硬件子系統(tǒng)在MCU內(nèi)努力工作。這些努力工作的子系統(tǒng)之一被稱為直接內(nèi)存訪問控制器（DMA Direct Memory Access Controller）：

前面的圖是非常簡(jiǎn)化的硬件框圖，顯示了從RAM到UART外設(shè)的兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)路徑的視圖。

在沒有DMA的情況下，從UART接收字節(jié)流，來自UART的信息將進(jìn)入U(xiǎn)ART寄存器，被CPU讀取，然后推送到RAM進(jìn)行存儲(chǔ)：

• CPU必須檢測(cè)到何時(shí)收到單獨(dú)的字節(jié)（或字），要么通過輪詢UART寄存器標(biāo)志，要么通過設(shè)置中斷服務(wù)例程，當(dāng)一個(gè)字節(jié)準(zhǔn)備好時(shí)就啟動(dòng)。
• 字節(jié)從UART傳輸后，CPU可以將其放入RAM進(jìn)行進(jìn)一步處理。
• 步驟1和2重復(fù)進(jìn)行，直到收到整個(gè)信息。

當(dāng)DMA被用在同樣的場(chǎng)景中時(shí)，會(huì)發(fā)生以下情況：

• CPU為傳輸配置DMA控制器和外圍設(shè)備。
• DMA控制器負(fù)責(zé)UART外設(shè)和RAM之間的所有傳輸。這不需要CPU的干預(yù)。
• 當(dāng)整個(gè)傳輸完成時(shí)，CPU會(huì)得到通知，它可以直接處理整個(gè)字節(jié)流。

大多數(shù)程序員發(fā)現(xiàn)DMA幾乎是神奇的，如果他們習(xí)慣于處理超級(jí)循環(huán)和ISR?？刂破鞅慌渲脼樵谕庠O(shè)需要時(shí)向外設(shè)傳輸內(nèi)存塊，然后在傳輸完成時(shí)提供通知（通常是通過一個(gè)中斷）--就是這樣！這就是DMA！

當(dāng)然，這種便利也是有代價(jià)的。最初設(shè)置DMA傳輸確實(shí)需要一些時(shí)間，所以對(duì)于小的傳輸，實(shí)際上可能比使用中斷或輪詢的方法要花費(fèi)更多的CPU時(shí)間來設(shè)置傳輸。

還有一些需要注意的地方：每個(gè)MCU都有特定的限制，所以在指望DMA對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)組件的可用性之前，一定要閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)、參考手冊(cè)和勘誤表的細(xì)節(jié)：

MCU內(nèi)部總線的帶寬限制了可以可靠地放在單一總線上的對(duì)帶寬要求高的外設(shè)的數(shù)量。

偶爾，映射到外設(shè)的DMA通道的有限可用性也使設(shè)計(jì)過程復(fù)雜化。

這些類型的原因就是為什么要讓所有的團(tuán)隊(duì)成員參與到嵌入式系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)中來，而不是直接把它扔到墻上。

DMA對(duì)于有效地訪問大量的外設(shè)是很好的，使我們有能力為系統(tǒng)添加越來越多的功能。然而，當(dāng)我們開始向超級(jí)循環(huán)添加越來越多的代碼模塊時(shí)，子系統(tǒng)之間的相互依賴關(guān)系也變得更加復(fù)雜。在下一節(jié)中，我們將討論為復(fù)雜系統(tǒng)擴(kuò)展超級(jí)循環(huán)的挑戰(zhàn)。

擴(kuò)展超級(jí)循環(huán)

現(xiàn)在已經(jīng)有了能夠可靠地處理中斷的響應(yīng)系統(tǒng)。也許我們已經(jīng)配置了DMA控制器來處理通信外圍設(shè)備的繁重工作。為什么我們需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)？嗯，你完全有可能不需要! 如果系統(tǒng)只處理有限的任務(wù)，而且沒有特別復(fù)雜或耗時(shí)的，那么可能就不需要比超級(jí)循環(huán)更復(fù)雜的東西。

但是，如果系統(tǒng)還要負(fù)責(zé)生成用戶界面（UI），運(yùn)行復(fù)雜的耗時(shí)的算法，或者處理復(fù)雜的通信棧，那么這些任務(wù)很可能要花費(fèi)非同小可的時(shí)間。如果帶有大量動(dòng)畫的華麗奪目的用戶界面因?yàn)镸CU正在處理從關(guān)鍵的傳感器收集數(shù)據(jù)而開始有點(diǎn)結(jié)巴，那也沒什么大不了的。要么動(dòng)畫可以回調(diào)，要么取消，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要部分則保持原樣。但是，如果那個(gè)動(dòng)畫看起來仍然非常好，即使有一些來自傳感器的數(shù)據(jù)被遺漏，又會(huì)發(fā)生什么呢？

在我們的行業(yè)中，這個(gè)問題每天都有各種不同的方式。有時(shí)，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)得足夠好，丟失的數(shù)據(jù)會(huì)被檢測(cè)到并被標(biāo)記出來（但它不能被恢復(fù)：它永遠(yuǎn)消失了）。如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)真的很幸運(yùn)，它甚至可能在內(nèi)部測(cè)試中以這種方式失敗。然而，在許多情況下，遺漏的傳感器數(shù)據(jù)將完全沒有被注意到，直到有人注意到其中一個(gè)讀數(shù)似乎有點(diǎn)偏離......有時(shí)。如果每個(gè)人都很幸運(yùn)，關(guān)于粗略讀數(shù)的錯(cuò)誤報(bào)告可能包括一個(gè)提示，即它似乎只在有人在前面板上（玩那些花哨的動(dòng)畫）時(shí)發(fā)生。這至少會(huì)給被指派去調(diào)試這個(gè)問題的可憐的固件工程師一個(gè)提示--但我們往往甚至沒有那么幸運(yùn)。

這些是需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)類型。保證時(shí)間最緊迫的任務(wù)在必要時(shí)總是在運(yùn)行，并在有空閑時(shí)間時(shí)將低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度到運(yùn)行，這是搶占式調(diào)度器的一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)。在這種類型的設(shè)置中，關(guān)鍵的傳感器讀數(shù)可以被推到他們自己的任務(wù)中，并分配一個(gè)高優(yōu)先級(jí)--當(dāng)需要處理傳感器的時(shí)候，有效地中斷了系統(tǒng)中的任何其他任務(wù)（除了ISR）。那個(gè)復(fù)雜的通信堆棧可以被分配一個(gè)比關(guān)鍵傳感器更低的優(yōu)先級(jí)。最后，具有花哨動(dòng)畫的華麗用戶界面得到了剩余的處理器周期。它可以自由地執(zhí)行任意多的滑動(dòng)阿爾法混合動(dòng)畫，但只有在處理器沒有其他更好的事情可做的時(shí)候。

RTOS任務(wù)與超級(jí)循環(huán)相比較

到目前為止，我們只是非常隨意地提到了任務(wù)，但任務(wù)到底是什么？思考任務(wù)的簡(jiǎn)單方法是，它只是另一個(gè)主循環(huán)。在一搶占式RTOS中，任務(wù)和超級(jí)循環(huán)之間有兩個(gè)主要區(qū)別：

• 每個(gè)任務(wù)都收到它自己的私有堆棧。與共享系統(tǒng)堆棧的main中的超級(jí)循環(huán)不同，任務(wù)收到自己的堆棧，系統(tǒng)中的其他任務(wù)不會(huì)使用。這允許每個(gè)任務(wù)擁有自己的調(diào)用堆棧，而不干擾其他任務(wù)。

• 每個(gè)任務(wù)都有分配給它的優(yōu)先級(jí)。這個(gè)優(yōu)先級(jí)允許調(diào)度員決定哪個(gè)任務(wù)應(yīng)該運(yùn)行（目標(biāo)是確保系統(tǒng)中最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)總是在做有用的工作）。

  考慮到這兩個(gè)特點(diǎn)，每個(gè)任務(wù)都可以被編程，好像它是處理器唯一要做的事情。你有一個(gè)你想看的單一標(biāo)志和一些計(jì)算的華美的動(dòng)畫要攪和嗎？沒問題：只需對(duì)任務(wù)進(jìn)行編程，并給它分配合理的優(yōu)先級(jí)，相對(duì)于系統(tǒng)的其他功能而言。搶占式調(diào)度器將始終確保最重要的任務(wù)在有工作要做時(shí)被執(zhí)行。當(dāng)一個(gè)較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)不再有有用的工作要做，并且它正在等待系統(tǒng)中的其他東西時(shí)，較低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)將被切換到上下文并允許運(yùn)行。

用RTOS任務(wù)實(shí)現(xiàn)并行操作

早些時(shí)候，我們看了在三個(gè)函數(shù)中循環(huán)的超級(jí)循環(huán)?，F(xiàn)在讓我們把這三個(gè)函數(shù)中的每一個(gè)移到自己的任務(wù)中。我們將用這三個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)來研究以下內(nèi)容：

• 理論上的任務(wù)編程模型： 如何在理論上描述這三個(gè)任務(wù)

• 實(shí)際的輪流調(diào)度： 任務(wù)在使用輪回調(diào)度算法執(zhí)行時(shí)是什么樣子的

• 實(shí)際的搶占式調(diào)度： 使用搶占式調(diào)度執(zhí)行的任務(wù)是什么樣子的？

  在現(xiàn)實(shí)世界的程序中，每個(gè)任務(wù)幾乎都沒有單一的函數(shù)；我們只是把它作為類似于前面的過于簡(jiǎn)單的超級(jí)循環(huán)的例子。

理論上的任務(wù)編程模型

下面是使用超級(jí)循環(huán)來執(zhí)行三個(gè)函數(shù)的偽代碼。同樣的三個(gè)函數(shù)也包含在基于任務(wù)的系統(tǒng)中--每個(gè)RTOS任務(wù)（在右邊）包含與左邊的超級(jí)循環(huán)的函數(shù)相同的功能。當(dāng)我們討論使用超級(jí)循環(huán)與使用調(diào)度器的任務(wù)驅(qū)動(dòng)方法時(shí)，代碼執(zhí)行方式的差異時(shí)，這點(diǎn)將被繼續(xù)使用：

你可能會(huì)注意到超級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)和RTOS實(shí)現(xiàn)之間的直接區(qū)別是無限的while循環(huán)的數(shù)量。在超級(jí)循環(huán)的實(shí)現(xiàn)中，只有一個(gè)無限的while循環(huán)（在main()中），但是每個(gè)任務(wù)都有自己的無限的while循環(huán)。

在超級(jí)循環(huán)中，在調(diào)用下一個(gè)函數(shù)之前，被超級(jí)循環(huán)執(zhí)行的三個(gè)函數(shù)分別運(yùn)行到完成，然后循環(huán)繼續(xù)到下一個(gè)迭代（如下圖所示）：

在RTOS的實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)任務(wù)本質(zhì)上是它自己的小的無限的while循環(huán)。超級(jí)循環(huán)中的函數(shù)總是一個(gè)接一個(gè)地被調(diào)用（由超級(jí)循環(huán)中的邏輯協(xié)調(diào)），而任務(wù)可以簡(jiǎn)單地被認(rèn)為是在調(diào)度器啟動(dòng)后的所有并行執(zhí)行。下面是一個(gè)執(zhí)行三個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的圖示：

在圖中，你會(huì)注意到每個(gè)while循環(huán)的大小是不一樣的。這是使用并行執(zhí)行任務(wù)的調(diào)度器相對(duì)于超級(jí)循環(huán)的許多好處之一--程序員不需要立即關(guān)注最長(zhǎng)的執(zhí)行循環(huán)的長(zhǎng)度會(huì)拖累其他更緊密的循環(huán)。圖中描述了任務(wù)2的循環(huán)比任務(wù)1長(zhǎng)很多。在超級(jí)循環(huán)系統(tǒng)中，這將導(dǎo)致func1的功能執(zhí)行頻率降低（因?yàn)槌?jí)循環(huán)需要先執(zhí)行func1，然后是func2，最后是func3）。在基于任務(wù)的編程模型中，情況并非如此--每個(gè)任務(wù)的循環(huán)可以被認(rèn)為是與系統(tǒng)中的其他任務(wù)隔離的--而且它們都是并行運(yùn)行的。

這種隔離和感知的并行執(zhí)行是使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的一些好處；它為程序員減輕了一些復(fù)雜性。所以，這是概念化任務(wù)的最簡(jiǎn)單的方法--它們只是獨(dú)立的無限的while循環(huán)，都是平行執(zhí)行的......在理論上。在現(xiàn)實(shí)中，事情并沒有這么簡(jiǎn)單。在接下來的兩節(jié)中，我們將瞥見幕后發(fā)生的事情，使其看起來像是任務(wù)在并行執(zhí)行。

循環(huán)排程

概念化實(shí)際任務(wù)執(zhí)行的最簡(jiǎn)單方法之一是輪流調(diào)度。在輪流調(diào)度中，每個(gè)任務(wù)得到一小塊時(shí)間來使用處理器，這是由調(diào)度器控制的。只要任務(wù)有工作要執(zhí)行，它就會(huì)執(zhí)行。就該任務(wù)而言，它完全擁有自己的處理器。調(diào)度器負(fù)責(zé)處理為下一個(gè)任務(wù)切換適當(dāng)上下文的所有復(fù)雜問題：

這和之前展示的三個(gè)任務(wù)是一樣的，只不過不是理論上的概念化，而是通過任務(wù)的循環(huán)的每一次迭代都是隨著時(shí)間的推移而列舉的。因?yàn)檠h(huán)調(diào)度器給每個(gè)任務(wù)分配了相等的時(shí)間片，最短的任務(wù)（任務(wù)1）已經(jīng)執(zhí)行了將近六次循環(huán)，而最慢的循環(huán)任務(wù)（任務(wù)2）只完成了第一次循環(huán)。任務(wù)3已經(jīng)執(zhí)行了三次循環(huán)。

執(zhí)行相同函數(shù)的超級(jí)循環(huán)與執(zhí)行這些函數(shù)的輪回調(diào)度例程之間的一個(gè)極其重要的區(qū)別是這樣的： 任務(wù)3在任務(wù)2之前完成了其適度緊密的循環(huán)。當(dāng)超級(jí)循環(huán)以串行方式運(yùn)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)3甚至不會(huì)開始，直到函數(shù)2運(yùn)行完成。所以，雖然調(diào)度器沒有為我們提供真正的并行性，但每個(gè)任務(wù)都得到了它公平的CPU周期份額。所以，在這種調(diào)度方案下，如果任務(wù)有較短的循環(huán)，它將比有較長(zhǎng)循環(huán)的任務(wù)執(zhí)行得更頻繁。

所有這些切換都有一個(gè)（輕微的）代價(jià)--調(diào)度器需要在任何有上下文切換的時(shí)候被調(diào)用。在這個(gè)例子中，任務(wù)沒有明確地調(diào)用調(diào)度器來運(yùn)行。在FreeRTOS運(yùn)行在ARM Cortex-M上的情況下，調(diào)度器將被從SysTick中斷中調(diào)用（更多細(xì)節(jié)可在第7章FreeRTOS調(diào)度器中找到）。為了確保調(diào)度器內(nèi)核非常有效，并盡可能地減少運(yùn)行時(shí)間，我們付出了相當(dāng)多的努力。然而，事實(shí)是，它將在某些時(shí)候運(yùn)行并消耗CPU周期。在大多數(shù)系統(tǒng)中，少量的開銷通常不會(huì)被注意到（或顯著），但在某些系統(tǒng)中，它可能成為問題。例如，如果一個(gè)設(shè)計(jì)處于可行性的極端邊緣，因?yàn)樗蟹浅?yán)格的時(shí)間要求和非常少的空閑CPU周期，如果超級(jí)循環(huán)/中斷方法已經(jīng)被仔細(xì)地描述和優(yōu)化，那么增加的開銷可能是不可取的（或者完全有必要）。然而，最好是盡可能地避免這種類型的情況，因?yàn)榧词故窃谥械葟?fù)雜的系統(tǒng)中，忽視中斷堆積（或嵌套條件語句偶爾需要更長(zhǎng)的時(shí)間）并導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)過最后期限的可能性也是非常大的。

基于搶占式的調(diào)度

搶占式調(diào)度提供了一種機(jī)制，以確保系統(tǒng)總是在執(zhí)行其最重要的任務(wù)。搶占式調(diào)度算法將優(yōu)先考慮最重要的任務(wù)，不管系統(tǒng)中還有什么事情發(fā)生--除了中斷，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生在調(diào)度器下面，總是有更高的優(yōu)先級(jí)。這聽起來非常直接--而且確實(shí)如此--只是有一些細(xì)節(jié)需要考慮到。

讓我們看一下同樣的三個(gè)任務(wù)。這三個(gè)任務(wù)都有相同的功能：簡(jiǎn)單的while循環(huán)，無休止地增加不穩(wěn)定的變量。

現(xiàn)在，考慮以下三種情況，看看這三個(gè)任務(wù)中哪個(gè)會(huì)得到上下文。下圖中的任務(wù)與之前介紹的輪流調(diào)度的任務(wù)相同。三個(gè)任務(wù)中都有足夠多的工作要做，這將防止任務(wù)脫離上下文：

那么，當(dāng)三個(gè)不同的任務(wù)被設(shè)置為三組不同的優(yōu)先級(jí)（A、B、C）時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

A（左上角）： 任務(wù)1在系統(tǒng)中擁有最高的優(yōu)先級(jí)--它獲得了所有的處理器時(shí)間 不管任務(wù)1執(zhí)行了多少次迭代，如果它是系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，并且它有工作要做（不需要等待系統(tǒng)中的其他東西），它將被賦予上下文并運(yùn)行。

B（右上方）： 任務(wù)2是系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。由于它有足夠多的工作要做，不需要等待系統(tǒng)中的其他東西，任務(wù)2將被賦予上下文。由于任務(wù)2被配置為系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級(jí)，它將執(zhí)行，直到它需要在系統(tǒng)中等待其他東西。

C（左下角）： 任務(wù)3被配置為系統(tǒng)中的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)。沒有其他任務(wù)運(yùn)行，因?yàn)樗鼈兊膬?yōu)先級(jí)較低。

現(xiàn)在，很明顯，如果你真的在設(shè)計(jì)一個(gè)需要多個(gè)任務(wù)并行運(yùn)行的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中所有的任務(wù)都需要100%的CPU時(shí)間，并且不需要等待任何東西，那么搶占式調(diào)度器就沒有什么用了。這種設(shè)置對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說也不是很好的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗耆d了（而且忽略了系統(tǒng)所要執(zhí)行的三個(gè)主要功能中的兩個(gè)）！這種情況被稱為 "任務(wù)"！所呈現(xiàn)的情況被稱為任務(wù)饑餓，因?yàn)橹挥邢到y(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)獲得了CPU時(shí)間，而其他任務(wù)則被剝奪了處理器時(shí)間。

另一個(gè)值得指出的細(xì)節(jié)是，調(diào)度器仍然以預(yù)定的時(shí)間間隔運(yùn)行。無論系統(tǒng)中發(fā)生了什么，調(diào)度器都會(huì)勤奮地按照預(yù)定的時(shí)間間隔運(yùn)行。

這有一個(gè)例外。FreeRTOS有無滴答的調(diào)度器模式，旨在用于極低功率的設(shè)備，它可以防止調(diào)度器在相同的預(yù)定間隔內(nèi)運(yùn)行。

這里顯示了一個(gè)使用搶占式調(diào)度器的更現(xiàn)實(shí)的用例：

在這種情況下，任務(wù)1是系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)（它也恰好很快完成執(zhí)行）--任務(wù)1只有在調(diào)度器需要運(yùn)行的時(shí)候才會(huì)被剝奪上下文；否則，它將保持上下文直到?jīng)]有任何額外的工作要執(zhí)行。

任務(wù)2是下一個(gè)最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)--你也會(huì)注意到，這個(gè)任務(wù)被設(shè)置為在每個(gè)RTOS調(diào)度器的勾選中執(zhí)行一次（由向下的箭頭表示）。任務(wù)3是系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最低的任務(wù)：只有當(dāng)系統(tǒng)中沒有其他值得做的事情時(shí)，它才會(huì)得到上下文。在這張圖中，有三個(gè)要點(diǎn)值得關(guān)注：

A：任務(wù)2有上下文。即使它被調(diào)度器打斷了，但在調(diào)度器運(yùn)行后，它又立即得到了上下文（因?yàn)樗€有工作要做）。

B: 任務(wù)2已經(jīng)完成了迭代0的工作，調(diào)度器已經(jīng)運(yùn)行并確定（因?yàn)橄到y(tǒng)中沒有其他任務(wù)需要運(yùn)行）任務(wù)3可以擁有處理器時(shí)間。

C：任務(wù)2已經(jīng)開始運(yùn)行迭代4，但是任務(wù)1現(xiàn)在有一些工作要做--盡管任務(wù)2還沒有完成該迭代的工作。任務(wù)1立即被調(diào)度器切換到執(zhí)行其更高優(yōu)先級(jí)的工作。在任務(wù)1完成了它需要做的事情后，任務(wù)2被切換回來完成迭代4。這一次，迭代運(yùn)行到下一個(gè)tick，任務(wù)2再次運(yùn)行（迭代5）。在任務(wù)2迭代5完成后，沒有更高優(yōu)先級(jí)的工作要執(zhí)行，所以系統(tǒng)中最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)（任務(wù)3）再次運(yùn)行?？雌饋砣蝿?wù)3終于完成了迭代0，所以它進(jìn)入了迭代1并繼續(xù)運(yùn)行......。

希望你還在聽我說! 如果沒有，那也沒關(guān)系，因?yàn)檫@只是一個(gè)非常抽象的例子。關(guān)鍵的啟示是，系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)是優(yōu)先的。

RTOS任務(wù)與超級(jí)循環(huán)的對(duì)比--利與弊

超級(jí)循環(huán)對(duì)于責(zé)任有限的簡(jiǎn)單系統(tǒng)是非常好的。如果系統(tǒng)足夠簡(jiǎn)單，它們可以在響應(yīng)事件時(shí)提供非常低的抖動(dòng)，但前提是循環(huán)足夠緊密。隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，獲得更多的責(zé)任，輪詢率會(huì)下降。這種輪詢率的降低導(dǎo)致對(duì)事件的響應(yīng)抖動(dòng)大得多。中斷可以被引入到系統(tǒng)中，以應(yīng)對(duì)抖動(dòng)的增加。隨著基于超級(jí)循環(huán)的系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，跟蹤和保證對(duì)事件的反應(yīng)能力變得越來越難。

對(duì)于那些不僅有耗時(shí)的任務(wù)，而且還需要對(duì)外部事件有良好的響應(yīng)能力的更復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)變得非常有價(jià)值。對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來說，系統(tǒng)復(fù)雜性、ROM、RAM和初始設(shè)置時(shí)間的增加是為了換取一個(gè)更容易理解的系統(tǒng)，它可以更容易地保證對(duì)外部事件的及時(shí)響應(yīng)。