FreeRTOS任务调度(抢占式、协作式、时间片轮转)

任务调度

文章目录

  • 任务调度
  • 前言
  • 一、协作式
  • 二、时间片轮转
  • 三、抢占式
  • 总结

前言

FreeRTOS 是一个开源的实时操作系统，它支持多种调度策略，包括协作式（cooperative）和抢占式（preemptive）调度。

一、协作式

在协作式调度中，一旦一个任务开始执行，它将持续运行，直到它自己放弃 CPU 控制权为止。这通常发生在任务主动调用 task delay（等待时间片到期）、task yield（放弃剩余时间片）、或者进入阻塞状态（等待事件或资源）时。协作式调度简化了任务间共享资源的管理，因为开发者可以确保在没有明确放弃 CPU 控制权的情况下，任务不会被中断。但这种模式要求每个任务都必须定期放弃 CPU 控制权，否则可能导致系统响应性能下降。
协作式的调度方式，其本质上是任务在运行一段时间后，自己放弃CPU运行权，让其他任务运行。

在FreeRTOS里，是通过taskYIELD()这个函数实现放弃CPU的。一个典型的协作式任务是在while(1){}大循环的最后，调用taskYIELD()去主动放弃CPU；这时其他处于就绪态的最高优先级的任务才可能运行；如果其他任务都不在就绪状态，那么仍然回到taskYIELD()后面继续运行原来的任务。

在FreeRTOS里taskYIELD()是一种放弃CPU执行权的方法，还可以使用延时函数vTaskDelay，以及等待信号量、消息队列等等。
在这里插入图片描述
这里改成0是协作式
直接看代码

/*FreeRTOS配置*/

/* START_TASK 任务 配置
 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务
 */
#define START_TASK_PRIO 1                   /* 任务优先级 */
#define START_STK_SIZE  128                 /* 任务堆栈大小 */
TaskHandle_t            StartTask_Handler;  /* 任务句柄 */
void start_task(void *pvParameters);        /* 任务函数 */

/* TASK1 任务 配置
 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务
 */
#define TASK1_PRIO      2                   /* 任务优先级 */
#define TASK1_STK_SIZE  128                 /* 任务堆栈大小 */
TaskHandle_t            Task1Task_Handler;  /* 任务句柄 */
void task1(void *pvParameters);             /* 任务函数 */

/* TASK2 任务 配置
 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务
 */
#define TASK2_PRIO      4                   /* 任务优先级 */
#define TASK2_STK_SIZE  128                 /* 任务堆栈大小 */
TaskHandle_t            Task2Task_Handler;  /* 任务句柄 */
void task2(void *pvParameters);             /* 任务函数 */

/* TASK3 任务 配置
 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务
 */
#define TASK3_PRIO      4                   /* 任务优先级 */
#define TASK3_STK_SIZE  128                 /* 任务堆栈大小 */
TaskHandle_t            Task3Task_Handler;  /* 任务句柄 */
void task3(void *pvParameters);             /* 任务函数 */

/******************************************************************************************************/


/**
 * @brief       FreeRTOS入口函数
 * @param       无
 * @retval      无
 */
void freertos_demo(void)
{
    
    xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            /* 任务函数 */
                (const char*    )"start_task",          /* 任务名称 */
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        /* 任务堆栈大小 */
                (void*          )NULL,                  /* 传入给任务函数的参数 */
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       /* 任务优先级 */
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   /* 任务句柄 */
    vTaskStartScheduler();
}

/**
 * @brief       start_task
 * @param       pvParameters : 传入参数(未用到)
 * @retval      无
 */
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();           /* 进入临界区 */
    /* 创建任务1 */
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task1,                 /* 任务函数 */
                (const char*    )"task1",               /* 任务名称 */
                (uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,        /* 任务堆栈大小 */
                (void*          )NULL,                  /* 传入给任务函数的参数 */
                (UBaseType_t    )TASK1_PRIO,            /* 任务优先级 */
                (TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);   /* 任务句柄 */
    /* 创建任务2 */
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task2,                 /* 任务函数 */
                (const char*    )"task2",               /* 任务名称 */
                (uint16_t       )TASK2_STK_SIZE,        /* 任务堆栈大小 */
                (void*          )NULL,                  /* 传入给任务函数的参数 */
                (UBaseType_t    )TASK2_PRIO,            /* 任务优先级 */
                (TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler);   /* 任务句柄 */
    /* 创建任务3 */
    xTaskCreate((TaskFunction_t )task3,                 /* 任务函数 */
                (const char*    )"task3",               /* 任务名称 */
                (uint16_t       )TASK3_STK_SIZE,        /* 任务堆栈大小 */
                (void*          )NULL,                  /* 传入给任务函数的参数 */
                (UBaseType_t    )TASK3_PRIO,            /* 任务优先级 */
                (TaskHandle_t*  )&Task3Task_Handler);   /* 任务句柄 */
    vTaskDelete(StartTask_Handler); /* 删除开始任务 */
    taskEXIT_CRITICAL();            /* 退出临界区 */
}

/**
 * @brief       task1
 * @param       pvParameters : 传入参数(未用到)
 * @retval      无
 */
void task1(void *pvParameters)
{
    uint32_t task1_num = 0;
    
    while (1)
    {
       printf("task1\r\n");
        HAL_Delay(100);
    }
}

/**
 * @brief       task2
 * @param       pvParameters : 传入参数(未用到)
 * @retval      无
 */
void task2(void *pvParameters)
{
    uint32_t task2_num = 0;
    
    while (1)
    {
              printf("task2\r\n");
        HAL_Delay(200);
    }
}

/**
 * @brief       task3
 * @param       pvParameters : 传入参数(未用到)
 * @retval      无
 */
void task3(void *pvParameters)
{
    uint8_t key = 0;
    
    while (1)
    {
              printf("task3\r\n");
        HAL_Delay(300);
    }
}

先来看这段代码的执行结果
在这里插入图片描述
只有task2在执行，task3和task2是相同优先级 但是task2任务先创建的，task2任务执行后没有放弃CPU使用权，所以其他任务没有机会执行。
这说明了协作式的调度，是需要任务自己放弃CPU的，否则其他任务不能得到运行机会。​
然后我们修改一下代码
在这里插入图片描述
可以看到task2执行完之后把cpu执行权释放了，然后这个时候task3开始执行，由于task3开始执行后没有释放CPU执行权所以，task2任务无法执行
在这里插入图片描述
然后我们在修改一下代码
在这里插入图片描述
可以看到task2和task3交替执行
在这里插入图片描述
可以发现，现在task02和task03都有执行，而task01没有执行。

这是因为task02在执行完后，通过taskYIELD();放弃了CPU；

此时task03和task01都有机会运行，但是task03优先级高，所以task03获得了运行机会；

task03运行完之后，也是通过taskYIELD();放弃了CPU，此时task02和task01有机会运行，但是task02优先级高，task02又获得了运行权。

这样循环执行，由于task01优先级低，它总是得不到运行机会。
如果想要所有任务都执行到，一种可行的方法是使用vTaskDelay指定放弃CPU的时间，如task02中放弃1000周期、tack03中放弃1000周期，那么当这两个任务都被挂起时，task01就获得了运行权。
我们修改一下代码
在这里插入图片描述
可以看到执行结果
在这里插入图片描述

二、时间片轮转

时间片轮转的调度方法，是让相同优先级的几个任务轮流运行，每个任务运行一个时间片，任务在时间片运行完之后，操作系统自动切换到下一个任务运行；在任务运行的时间片中，也可以提前让出CPU运行权，把它交给下一个任务运行（这一点和协作式类似）。
FreeRTOS的时间片固定为一个时钟节拍，由configTICK_RATE_HZ这个宏设置
在这里插入图片描述
把设置改回来，然后修改一下代码
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

可以看到执行结果，各任务都不主动放弃CPU。可以看到，虽然各个任务都没有主动放弃CPU执行权，但是同为高优先级的task02和task03，都得到了运行的机会；只有低优先级的task01没有执行到。这是因为操作系统对两个高优先级的任务使用了时间片轮转调度，轮流得到了执行。
关闭时间片轮转调度功能，即把configUSE_TIME_SLICING宏定义去除或定义为0：
在这里插入图片描述
执行结果如下图所示
在这里插入图片描述
task03又没有机会去执行了。

三、抢占式

抢占式调度允许操作系统根据优先级来决定哪个任务应当获得 CPU 控制权。当一个高优先级任务变为就绪状态时（例如，它正在等待的事件发生了），系统会中断当前运行的较低优先级任务，把 CPU 控制权交给高优先级任务。这确保了对紧急任务的快速响应。在这种模式下，任务不需要显式放弃 CPU 控制权，因为它们可以随时被更高优先级的任务抢占。

抢占式调度，是最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的执行权；它抢占了低优先级的运行机会。在抢占式调度系统中，总是运行最高优先级的任务。

抢占式调度的特点在于，可以使得一些需要实时运行的任务，能在较短的时间内获得CPU执行权，保证这些实时任务及时执行。

在FreeRTOS中，抢占式调度，与时间片轮转可以同时存在；当有高优先级任务就绪时，运行高优先级任务；当最高优先级的任务有好几个时，这几个任务可以以时间片轮转方式调度。
我们修改一下代码

在这里插入图片描述

低优先级的task01一直占用CPU，不会主动放弃执行权；task02执行一次，放弃500ms的执行权；task03执行一次，放弃1000ms执行权：
然后看一下结果
在这里插入图片描述

首先task02和task03执行时间片轮转，各执行了一次；然后它们都放弃了CPU执行权，task01得到了执行，在500ms内，它可以执行3次；

到500ms时，task02第一次延时时间到，恢复就绪态，task02抢占了CPU执行，执行完打印后，又进行延时放弃CPU；task01得到了执行；又执行了2次，过去了1000ms,这个时候task02和task03都有机会执行，进行了一次时间片轮转，然后又回到task01执行

到100ms时，task03第一次恢复就绪，task02第二次恢复就绪，都各执行了一遍；之后又让出CPU；task01得到了执行；然后一直循环。

总结

可以看出，开启了抢占式和时间片轮转两种调度算法时，高优先级的任务一旦就绪，就能抢占低优先级的CPU执行权；如果有两个同优先级的任务都可以运行，则它们之间是时间片轮转方式调度。抢占式调度和时间片轮转两种任务的切换方式，可以说是FreeRTOS系统最核心的功能。

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