嵌入式FreeRTOS学习五，FreeRTOS任务调度器

四、调度器

FreeRTOS 操作系统支持三种调度方式：抢占式调度，时间片调度和合作式调度。实际应用主要是抢占式调度和时间片调度，合作式调度用到的很少。启动调度器的API函数vTaskStartScheduler()的源码如下：

void vTaskStartScheduler( void )
{
BaseType_t xReturn;
StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer= NULL;
StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer= NULL;
uint16_t usIdleTaskStackSize =tskIDLE_STACK_SIZE;
 
    /*如果使用静态内存分配任务堆栈和任务TCB,则需要为空闲任务预先定义好任务内存和任务TCB空间*/
    #if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
    {
       vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &usIdleTaskStackSize);
    }
    #endif /*configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
 
    /* 创建空闲任务,使用最低优先级*/
    xReturn =xTaskGenericCreate( prvIdleTask, "IDLE",usIdleTaskStackSize, ( void * ) NULL, ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT), &xIdleTaskHandle,pxIdleTaskStackBuffer,pxIdleTaskTCBBuffer, NULL );
 
    if( xReturn == pdPASS )
    {
        /* 先关闭中断,确保节拍定时器中断不会在调用xPortStartScheduler()时或之前发生.当第一个任务启动时,会重新启动中断*/
       portDISABLE_INTERRUPTS();
       
        /* 初始化静态变量 */
       xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
       xSchedulerRunning = pdTRUE;
        xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
 
        /* 如果宏configGENERATE_RUN_TIME_STATS被定义,表示使用运行时间统计功能,则下面这个宏必须被定义,用于初始化一个基础定时器/计数器.*/
       portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
 
        /* 设置系统节拍定时器,这与硬件特性相关,因此被放在了移植层.*/
        if(xPortStartScheduler() != pdFALSE )
        {
            /* 如果调度器正确运行,则不会执行到这里,函数也不会返回*/
        }
        else
        {
            /* 仅当任务调用API函数xTaskEndScheduler()后,会执行到这里.*/
        }
    }
    else
    {
        /* 执行到这里表示内核没有启动,可能因为堆栈空间不够 */
       configASSERT( xReturn );
    }
 
    /* 预防编译器警告*/
    ( void ) xIdleTaskHandle;
}

这个API函数首先创建一个空闲任务，空闲任务使用最低优先级（0级），空闲任务的任务句柄存放在静态变量xIdleTaskHandle中，可以调用API函数xTaskGetIdleTaskHandle()获得空闲任务句柄。

如果任务创建成功，则关闭中断（调度器启动结束时会再次使能中断的），初始化一些静态变量，然后调用函数xPortStartScheduler()来启动系统节拍定时器并启动第一个任务。因为设置系统节拍定时器涉及到硬件特性，因此函数xPortStartScheduler()由移植层提供，不同的硬件架构，这个函数的代码也不相同。

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合作式调度

亦称为FreeRTOS的协程，实际上是线程并发出来的，每个线程并发出来的协程共用一个栈空间。合作式调度主要用在资源有限的设备上面，现在已经很少使用了。出于这个原因，后面的 FreeRTOS 版本中不会将合作式调度删除掉，但也不会再进行升级了。

抢占式调度

每个任务都有不同的优先级，任务会一直运行直到被高优先级任务抢占或者遇到阻塞式的 API 函数，比如vTaskDelay。

时间片调度

每个任务都有相同的优先级，任务会运行固定的时间片个数或者遇到阻塞式的 API 函数，比如函数vTaskDelay，才会执行同优先级任务之间的任务切换。如果用户在 FreeRTOS.h 中禁止使用时间片调度，那么每个任务必须配置不同的优先级。

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4.1 调度器

简单的说，调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的任务。所有的调度器有一个共同的特性：

调度器可以区分就绪态任务和挂起任务（由于延迟，信号量等待，邮箱等待，事件组等待等原因而使得任务被挂起）。

调度器可以选择就绪态中的一个任务，然后激活它（通过执行这个任务）。当前正在执行的任务是运行态的任务。不同调度器之间最大的区别就是如何分配就绪态任务间的完成时间。

嵌入式实时操作系统的核心就是调度器和任务切换，调度器的核心就是调度算法。任务切换的实现在不同的嵌入式实时操作系统中区别不大，基本相同的硬件内核架构，任务切换也是相似的。调度算法就有些区别了。下面我们主要了解一下抢占式调度器和时间片调度器。

4.2 抢占式调度器

在实际的应用中，不同的任务需要不同的响应时间。例如，我们在一个应用中需要使用电机，键盘和LCD 显示。电机比键盘和 LCD 需要更快速的响应，如果我们使用合作式调度器或者时间片调度，那么电机将无法得到及时的响应，这时抢占式调度是必须的。

如果使用了抢占式调度，最高优先级的任务一旦就绪，总能得到 CPU 的控制权。比如，当一个运行着的任务被其它高优先级的任务抢占，当前任务的 CPU 使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级的任务立刻得到了 CPU 的控制权并运行。又比如，如果中断服务程序使一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成时，被中断的低优先级任务被挂起，优先级高的那个任务开始运行。

使用抢占式调度器，使得最高优先级的任务什么时候可以得到 CPU 的控制权并运行是可知的，同时使得任务级响应时间得以最优化。总的来说，学习抢占式调度要掌握的最关键一点是：每个任务都被分配了不同的优先级，抢占式调度器会获得就绪列表中优先级最高的任务，并运行这个任务。

4.3 时间片调度器

在小型的嵌入式 RTOS 中，最常用的的时间片调度算法就是 Round-Robin 调度算法。这种调度算法可以用于抢占式或者合作式的多任务中。另外，时间片调度适合用于不要求任务实时响应的情况。实现 Round-Robin 调度算法需要给同优先级的任务分配一个专门的列表，用于记录当前就绪的任务，并为每个任务分配一个时间片（也就是需要运行的时间长度，时间片用完了就进行任务切换）。

在RR调度策略下，一个任务会一直执行，直到：

自愿放弃控制权

被更高优先级的任务抢占

时间片用完

如下图所示，A在用完自己的时间片后，将CPU执行权让给任务B，于是A离开Read队列，而B进入Read队列。一旦线程的时间片用完，该线程就会被下一个READ的具有同等优先级的任务给抢占。

轮转调度算法在实际使用中，注意实现如下：

优点:

缩短任务的等待时间，提高系统的吞吐量，甚至在某个任务异常独占CPU，还可以执行其他任务。

缺点：

对长作业非常不利，可能长时间得不到执行，未能依据作业的紧迫程度来划分执行的优先级，难以准确估计作业（进程）的执行时间，从而影响调度性能。时间片长度该设为多少，这个问题需要好好调试，因为有时候时间片太短，任务还没来得及做事情，就被调度了；时间片太长，又会造成让其它任务等太久，所以实际编程中需要好好调试。倒不如直接不使用。

还有的是FreeRTOS的时间片不能额外设置，例如系统定时器中断频率为1000Hz，则时间为1ms。μc/OS可以额外设置，例如系统定时器中断频率为1000Hz，定时周期为1ms，可通过OSSchedRoundRobinCfg()函数设置时间片大小。

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代码示例：

int main(void)  { 

   xReturn=xTaskCreate(app_task1,"app_task1",512,NULL,7,&app_task1_handle);
   xReturn=xTaskCreate(app_task2,"app_task2",512,NULL,7,&app_task2_handle);
   vTaskStartScheduler();
   while(1);
   } 

   void app_task1(void *pvParameters)
 {
  uint32_t i;
       while(1)
         {
            printf("#");
            i=0x1000000;
            while(i--);
         }
 }

 void app_task2(void *pvParameters)
 {
       uint32_t i;
       while(1)
      {
        printf("-");
        i=0x1000000;
        while(i--);
      }
 }