FreeRTOS系列第27篇---FreeRTOS系統(tǒng)延時分析

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ID：技術讓夢想更偉大

作者:李肖遙

FreeRTOS提供了兩個系統(tǒng)延時函數(shù)：相對延時函數(shù)vTaskDelay()和絕對延時函數(shù)vTaskDelayUntil()。

相對延時是指每次延時都是從任務執(zhí)行函數(shù)vTaskDelay()開始，延時指定的時間結束；

絕對延時是指每隔指定的時間，執(zhí)行一次調用vTaskDelayUntil()函數(shù)的任務，換句話說：任務以固定的頻率執(zhí)行。

在《FreeRTOS系列第11篇---FreeRTOS任務控制》一文中，已經介紹了這兩個API函數(shù)的原型和用法，本文將分析這兩個函數(shù)的實現(xiàn)原理。

1. 相對延時函數(shù)vTaskDelay()

考慮下面的任務，任務A在執(zhí)行任務主體代碼后，調用相對延時函數(shù)vTaskDelay()進入阻塞狀態(tài)。

系統(tǒng)中除了任務A外，還有其它任務，但是任務A的優(yōu)先級最高。

void?vTaskA(?void?*?pvParameters?)??
?{??
?????/*?阻塞500ms.?注:宏pdMS_TO_TICKS用于將毫秒轉成節(jié)拍數(shù),FreeRTOS?V8.1.0及
????????以上版本才有這個宏,如果使用低版本,可以使用?500?/?portTICK_RATE_MS?*/??
?????const?portTickType?xDelay?=?pdMS_TO_TICKS(500);??
???
?????for(?;;?)??
?????{??
?????????//??...
?????????//??這里為任務主體代碼
?????????//??...
????????
?????????/*?調用系統(tǒng)延時函數(shù),阻塞500ms?*/
?????????vTaskDelay(?xDelay?);??
?????}??
}??
對于這樣一個任務，執(zhí)行過程如圖1-1所示。

當任務A獲取CPU使用權后，先執(zhí)行任務A的主體代碼，之后調用系統(tǒng)延時函數(shù)vTaskDelay()進入阻塞狀態(tài)。

任務A進入阻塞后，其它任務得以執(zhí)行。

FreeRTOS內核會周期性的檢查任務A的阻塞是否達到，如果阻塞時間達到，則將任務A設置為就緒狀態(tài)。

由于任務A的優(yōu)先級最高，會搶占CPU，再次執(zhí)行任務主體代碼，不斷循環(huán)。

從圖1-1可以看出，任務A每次延時都是從調用延時函數(shù)vTaskDelay()開始算起的，延時是相對于這一時刻開始的，所以叫做相對延時函數(shù)。

從圖1-1還可以看出，如果執(zhí)行任務A的過程中發(fā)生中斷，那么任務A執(zhí)行的周期就會變長，所以使用相對延時函數(shù)vTaskDelay()，不能周期性的執(zhí)行任務A。


**我們來看一下源碼。**
void?vTaskDelay(?const?TickType_t?xTicksToDelay?)
{
BaseType_t?xAlreadyYielded?=?pdFALSE;
?
?
????/*?如果延時時間為0,則不會將當前任務加入延時列表?*/
????if(?xTicksToDelay?>?(?TickType_t?)?0U?)
????{
????????vTaskSuspendAll();
????????{
????????????/*?將當前任務從就緒列表中移除,并根據當前系統(tǒng)節(jié)拍計數(shù)器值計算喚醒時間,然后將任務加入延時列表?*/
????????????prvAddCurrentTaskToDelayedList(?xTicksToDelay,?pdFALSE?);
????????}
????????xAlreadyYielded?=?xTaskResumeAll();
????}
?
?
????/*?強制執(zhí)行一次上下文切換*/
????if(?xAlreadyYielded?==?pdFALSE?)
????{
????????portYIELD_WITHIN_API();
????}
}
如果延時大于0，則會將當前任務從就緒列表刪除，然后加入到延時列表。

是調用函數(shù)prvAddCurrentTaskToDelayedList()完成這一過程的。

我們在前面一系列博文中多次提到，tasks.c中定義了很多局部靜態(tài)變量，其中有一個變量xTickCount定義如下所示：

static?volatile?TickType_t?xTickCount?=?(?TickType_t?)?0U;
這個變量用來計數(shù)，記錄系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)，它在啟動調度器時被清零，在每次系統(tǒng)節(jié)拍時鐘發(fā)生中斷后加1。

相對延時函數(shù)會使用到這個變量，xTickCount表示了當前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)，這個值加上參數(shù)規(guī)定的延時時間（以系統(tǒng)節(jié)拍數(shù)表示）xTicksToDelay，就是下次喚醒任務的時間，xTickCount xTicksToDelay會被記錄到任務TCB中，隨著任務一起被掛接到延時列表。

我們知道變量xTickCount是TickType_t類型的，它也會溢出。

在32位架構中，當xTicksToDelay達到4294967295后再增加，就會溢出變成0。

為了解決xTickCount溢出問題，F(xiàn)reeRTOS使用了兩個延時列表：xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2，并使用兩個列表指針類型變量pxDelayedTaskList和pxOverflowDelayedTaskList分別指向上面的延時列表1和延時列表2（在創(chuàng)建任務時將延時列表指針指向延時列表）。

「順便說一下」，上面的兩個延時列表指針變量和兩個延時列表變量都是在tasks.c中定義的靜態(tài)局部變量。

如果內核判斷出xTickCount xTicksToDelay溢出，就將當前任務掛接到列表指針pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。

每次系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷，中斷服務函數(shù)都會檢查這兩個延時列表，查看延時的任務是否到期，如果時間到期，則將任務從延時列表中刪除，重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務優(yōu)先級大于當前任務，則會觸發(fā)一次上下文切換。

2. 絕對延時函數(shù)vTaskDelayUntil()

考慮下面的任務，任務B首先調用絕對延時函數(shù)vTaskDelayUntil ()進入阻塞狀態(tài)，阻塞時間到達后，執(zhí)行任務主體代碼。

系統(tǒng)中除了任務B外，還有其它任務，但是任務B的優(yōu)先級最高。

void?vTaskB(?void?*?pvParameters?)??
{??
????static?portTickType?xLastWakeTime;??
????const?portTickType?xFrequency?=?pdMS_TO_TICKS(500);??
???
????//?使用當前時間初始化變量xLastWakeTime?,注意這和vTaskDelay()函數(shù)不同?
????xLastWakeTime?=?xTaskGetTickCount();??
???
????for(?;;?)??
????{??
????????/*?調用系統(tǒng)延時函數(shù),周期性阻塞500ms?*/????????
????????vTaskDelayUntil(?