FreeRTOS系列第27篇---FreeRTOS系統(tǒng)延時(shí)分析

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ID：技術(shù)讓夢想更偉大

作者:李肖遙

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

相對延時(shí)是指每次延時(shí)都是從任務(wù)執(zhí)行函數(shù)vTaskDelay()開始，延時(shí)指定的時(shí)間結(jié)束；

絕對延時(shí)是指每隔指定的時(shí)間，執(zhí)行一次調(diào)用vTaskDelayUntil()函數(shù)的任務(wù)，換句話說：任務(wù)以固定的頻率執(zhí)行。

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

1. 相對延時(shí)函數(shù)vTaskDelay()

考慮下面的任務(wù)，任務(wù)A在執(zhí)行任務(wù)主體代碼后，調(diào)用相對延時(shí)函數(shù)vTaskDelay()進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

系統(tǒng)中除了任務(wù)A外，還有其它任務(wù)，但是任務(wù)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(zhuǎn)成節(jié)拍數(shù),FreeRTOS?V8.1.0及
????????以上版本才有這個(gè)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(wù)主體代碼
?????????//??...
????????
?????????/*?調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù),阻塞500ms?*/
?????????vTaskDelay(?xDelay?);??
?????}??
}??
對于這樣一個(gè)任務(wù)，執(zhí)行過程如圖1-1所示。

當(dāng)任務(wù)A獲取CPU使用權(quán)后，先執(zhí)行任務(wù)A的主體代碼，之后調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)vTaskDelay()進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

任務(wù)A進(jìn)入阻塞后，其它任務(wù)得以執(zhí)行。

FreeRTOS內(nèi)核會(huì)周期性的檢查任務(wù)A的阻塞是否達(dá)到，如果阻塞時(shí)間達(dá)到，則將任務(wù)A設(shè)置為就緒狀態(tài)。

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

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

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


**我們來看一下源碼。**
void?vTaskDelay(?const?TickType_t?xTicksToDelay?)
{
BaseType_t?xAlreadyYielded?=?pdFALSE;
?
?
????/*?如果延時(shí)時(shí)間為0,則不會(huì)將當(dāng)前任務(wù)加入延時(shí)列表?*/
????if(?xTicksToDelay?>?(?TickType_t?)?0U?)
????{
????????vTaskSuspendAll();
????????{
????????????/*?將當(dāng)前任務(wù)從就緒列表中移除,并根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)數(shù)器值計(jì)算喚醒時(shí)間,然后將任務(wù)加入延時(shí)列表?*/
????????????prvAddCurrentTaskToDelayedList(?xTicksToDelay,?pdFALSE?);
????????}
????????xAlreadyYielded?=?xTaskResumeAll();
????}
?
?
????/*?強(qiáng)制執(zhí)行一次上下文切換*/
????if(?xAlreadyYielded?==?pdFALSE?)
????{
????????portYIELD_WITHIN_API();
????}
}
如果延時(shí)大于0，則會(huì)將當(dāng)前任務(wù)從就緒列表刪除，然后加入到延時(shí)列表。

是調(diào)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(gè)變量xTickCount定義如下所示：

static?volatile?TickType_t?xTickCount?=?(?TickType_t?)?0U;
這個(gè)變量用來計(jì)數(shù)，記錄系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)，它在啟動(dòng)調(diào)度器時(shí)被清零，在每次系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘發(fā)生中斷后加1。

相對延時(shí)函數(shù)會(huì)使用到這個(gè)變量，xTickCount表示了當(dāng)前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)，這個(gè)值加上參數(shù)規(guī)定的延時(shí)時(shí)間（以系統(tǒng)節(jié)拍數(shù)表示）xTicksToDelay，就是下次喚醒任務(wù)的時(shí)間，xTickCount xTicksToDelay會(huì)被記錄到任務(wù)TCB中，隨著任務(wù)一起被掛接到延時(shí)列表。

我們知道變量xTickCount是TickType_t類型的，它也會(huì)溢出。

在32位架構(gòu)中，當(dāng)xTicksToDelay達(dá)到4294967295后再增加，就會(huì)溢出變成0。

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

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

如果內(nèi)核判斷出xTickCount xTicksToDelay溢出，就將當(dāng)前任務(wù)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(shí)鐘中斷，中斷服務(wù)函數(shù)都會(huì)檢查這兩個(gè)延時(shí)列表，查看延時(shí)的任務(wù)是否到期，如果時(shí)間到期，則將任務(wù)從延時(shí)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(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù)，則會(huì)觸發(fā)一次上下文切換。

2. 絕對延時(shí)函數(shù)vTaskDelayUntil()

考慮下面的任務(wù)，任務(wù)B首先調(diào)用絕對延時(shí)函數(shù)vTaskDelayUntil ()進(jìn)入阻塞狀態(tài)，阻塞時(shí)間到達(dá)后，執(zhí)行任務(wù)主體代碼。

系統(tǒng)中除了任務(wù)B外，還有其它任務(wù)，但是任務(wù)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(dāng)前時(shí)間初始化變量xLastWakeTime?,注意這和vTaskDelay()函數(shù)不同?
????xLastWakeTime?=?xTaskGetTickCount();??
???
????for(?;;?)??
????{??
????????/*?調(diào)用系統(tǒng)延時(shí)函數(shù),周期性阻塞500ms?*/????????
????????vTaskDelayUntil(?