FreeRTOS調(diào)度器中的三種調(diào)度算法實(shí)踐（上）

參考資料：《Mastering theFreeRTOS Real Time Kernel》3.12 Scheduling Algorithms

瑞薩RZ/T2L MPU

RZ/T2L是一款高性能MPU，可通過(guò)EtherCAT實(shí)現(xiàn)高速、高精度的實(shí)時(shí)控制。RZ/T2L搭載最大頻率為800MHz的Arm Cortex-R52內(nèi)核以及與CPU緊密耦合的大容量?jī)?nèi)存（576KB），可以降低使用高速緩存存儲(chǔ)器時(shí)出現(xiàn)的執(zhí)行時(shí)間波動(dòng)，并提供確定性與高速響應(yīng)處理。RZ/T2L在CPU內(nèi)核、外設(shè)功能和LLPP（低延時(shí)外設(shè)端口）總線等方面具備與RZ/T2M無(wú)縫連接的硬件架構(gòu)，可用于AC servo等更高性能的控制系統(tǒng)。此外，RZ/T2L提供了與瑞薩MPU和MCU可兼容、可擴(kuò)展的軟件平臺(tái)。它使客戶可以利用自己的軟件資產(chǎn)進(jìn)行新機(jī)型的開發(fā)。

RZ/T2L產(chǎn)品框圖

1.?任務(wù)狀態(tài)和事件的概述

實(shí)際正在運(yùn)行（使用處理時(shí)間）的任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。在單個(gè)核心處理器上，在任何時(shí)候都只能有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。

沒有實(shí)際運(yùn)行，但既不處于阻塞態(tài)也不處于掛起態(tài)的任務(wù)就是處于就緒態(tài)。

處于就緒態(tài)的任務(wù)可被調(diào)度器選擇，然后進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。調(diào)度程序會(huì)始終選擇最高優(yōu)先級(jí)的就緒態(tài)任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。

任務(wù)可以在阻塞態(tài)下等待事件，并在事件發(fā)生時(shí)自動(dòng)移回就緒態(tài)。

時(shí)間事件發(fā)生在特定的時(shí)間，例如當(dāng)阻塞時(shí)間過(guò)期時(shí)，通常用于實(shí)現(xiàn)周期性或超時(shí)行為。當(dāng)任務(wù)或中斷服務(wù)例程使用任務(wù)通知、隊(duì)列、事件組或多種類型的信號(hào)量之一發(fā)送信息時(shí)，就會(huì)發(fā)生同步事件。它們通常用于需要同步的情況，例如數(shù)據(jù)同步。

2.配置調(diào)度算法

調(diào)度算法決定了調(diào)度器將哪個(gè)就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行態(tài)。

可以使用configUSE_PREEMPTION和configUSE_TIME_SLICING配置常量來(lái)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(shuō)。

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(guò)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。

審核編輯：黃飛

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