FreeRTOS系列第29篇---FreeRTOS空閑任務(wù)分析

當RTOS調(diào)度器開始工作后，為了保證至少有一個任務(wù)在運行，空閑任務(wù)被自動創(chuàng)建，占用最低優(yōu)先級（0優(yōu)先級）。

 xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,
                       "IDLE",configMINIMAL_STACK_SIZE,
                       (void * ) NULL,
                       (tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ),
                       &xIdleTaskHandle);

空閑任務(wù)是FreeRTOS不可缺少的任務(wù)，因為FreeRTOS設(shè)計要求必須至少有一個任務(wù)處于運行狀態(tài)。我們來看一下空閑任務(wù)要做的工作。

1.釋放內(nèi)存

從V9.0版本開始，如果一個任務(wù)刪除另外一個任務(wù)，被刪除任務(wù)的堆棧和TCB立即釋放。

如果一個任務(wù)刪除自己，則任務(wù)的堆棧和TCB和以前一樣，通過空閑任務(wù)刪除。

所以空閑任務(wù)開始就會檢查是否有任務(wù)刪除了自己，如果有的話，空閑任務(wù)負責刪除這個任務(wù)的TCB和堆棧空間。

2. 處理空閑優(yōu)先級任務(wù)

當使用搶占式內(nèi)核，相同優(yōu)先級的任務(wù)使用時間片方式獲得CPU權(quán)限。

如果有任務(wù)與空閑任務(wù)共享一個優(yōu)先級，并且宏configIDLE_SHOULD_YIELD設(shè)置為1，那么空閑任務(wù)不必等到時間片耗盡再進行任務(wù)切換。

所以空閑任務(wù)檢查空閑優(yōu)先級下的就緒列表中是否有多個任務(wù)，有的話則執(zhí)行任務(wù)切換，讓用戶任務(wù)獲得CPU權(quán)限。

宏configIDLE_SHOULD_YIELD控制任務(wù)在空閑優(yōu)先級中的行為。僅在滿足下列條件后，才會起作用。

1. 使用搶占式內(nèi)核調(diào)度
2. 用戶任務(wù)使用空閑優(yōu)先級。

通過時間片共享同一個優(yōu)先級的多個任務(wù)，如果共享的優(yōu)先級大于空閑優(yōu)先級，并假設(shè)沒有更高優(yōu)先級任務(wù)，這些任務(wù)應(yīng)該獲得相同的處理器時間。

但如果共享空閑優(yōu)先級時，情況會稍微有些不同。當configIDLE_SHOULD_YIELD為1時，其它共享空閑優(yōu)先級的用戶任務(wù)就緒時，空閑任務(wù)立刻讓出CPU，用戶任務(wù)運行，這樣確保了能最快響應(yīng)用戶任務(wù)。

處于這種模式下也會有不良效果（取決于你的程序需要），描述如下：

圖中描述了四個處于空閑優(yōu)先級的任務(wù)，任務(wù)A、B和C是用戶任務(wù)，任務(wù)I是空閑任務(wù)。

上下文切換周期性的發(fā)生在T0、T1…T6時刻。

當用戶任務(wù)運行時，空閑任務(wù)立刻讓出CPU，但是，空閑任務(wù)已經(jīng)消耗了當前時間片中的一定時間。

這樣的結(jié)果就是空閑任務(wù)I和用戶任務(wù)A共享一個時間片。

用戶任務(wù)B和用戶任務(wù)C因此獲得了比用戶任務(wù)A更多的處理器時間。

「可以通過下面方法避免：」

1. 如果合適的話，將處于空閑優(yōu)先級的各單獨的任務(wù)放置到空閑鉤子函數(shù)中；
2. 創(chuàng)建的用戶任務(wù)優(yōu)先級大于空閑優(yōu)先級；
3. 設(shè)置IDLE_SHOULD_YIELD為0；

設(shè)置configIDLE_SHOULD_YIELD為0將阻止空閑任務(wù)為用戶任務(wù)讓出CPU，直到空閑任務(wù)的時間片結(jié)束。

這確保所有處在空閑優(yōu)先級的任務(wù)分配到相同多的處理器時間，但是，這是以分配給空閑任務(wù)更高比例的處理器時間為代價的。

3.執(zhí)行空閑任務(wù)鉤子函數(shù)

空閑任務(wù)鉤子是一個函數(shù)，這個函數(shù)由用戶來實現(xiàn)，RTOS規(guī)定了函數(shù)的名字和參數(shù)，這個函數(shù)在每個空閑任務(wù)周期都會被調(diào)用。

「要創(chuàng)建一個空閑鉤子」：

1. 設(shè)置FreeRTOSConfig.h 文件中的configUSE_IDLE_HOOK為1；
2. 定義一個函數(shù)，函數(shù)名和參數(shù)如下所示：

void vApplicationIdleHook(void ); 

這個鉤子函數(shù)不可以調(diào)用會引起空閑任務(wù)阻塞的API函數(shù)（例如：vTaskDelay()、帶有阻塞時間的隊列和信號量函數(shù)），在鉤子函數(shù)內(nèi)部使用協(xié)程是被允許的。

使用空閑鉤子函數(shù)設(shè)置CPU進入省電模式是很常見的。

4.低功耗tickless模式

通常情況下，F(xiàn)reeRTOS回調(diào)空閑任務(wù)鉤子函數(shù)（需要設(shè)計者自己實現(xiàn)），在空閑任務(wù)鉤子函數(shù)中設(shè)置微處理器進入低功耗模式來達到省電的目的。

因為系統(tǒng)要響應(yīng)系統(tǒng)節(jié)拍中斷事件，因此使用這種方法會周期性的退出、再進入低功耗狀態(tài)。

如果系統(tǒng)節(jié)拍中斷頻率過快，則大部分電能和CPU時間會消耗在進入和退出低功耗狀態(tài)上。

FreeRTOS的tickless空閑模式會在空閑周期時停止周期性系統(tǒng)節(jié)拍中斷。

停止周期性系統(tǒng)節(jié)拍中斷可以使微控制器長時間處于低功耗模式。

移植層需要配置外部喚醒中斷，當喚醒事件到來時，將微控制器從低功耗模式喚醒。微控制器喚醒后，會重新使能系統(tǒng)節(jié)拍中斷。

由于微控制器在進入低功耗后，系統(tǒng)節(jié)拍計數(shù)器是停止的，但我們又需要知道這段時間能折算成多少次系統(tǒng)節(jié)拍中斷周期；

這就需要有一個不受低功耗影響的外部時鐘源，即微處理器處于低功耗模式時它也在計時的；

這樣在重啟系統(tǒng)節(jié)拍中斷時就可以根據(jù)這個外部計時器計算出一個調(diào)整值并寫入RTOS 系統(tǒng)節(jié)拍計數(shù)器變量中。

空閑任務(wù)的源代碼如下所示，其中宏portTASK_FUNCTION翻譯出來為：void prvIdleTask(void * pvParameters)。

static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask,pvParameters )
{
  /*防止編譯器警告 */
  (void ) pvParameters;
 
  for(;; )
  {
     /*檢查是否有任務(wù)刪除了自己,如果有的話,空閑任務(wù)負責刪除這個任務(wù)的TCB和堆棧空間 */
     prvCheckTasksWaitingTermination();
 
     #if( configUSE_PREEMPTION == 0 )
     {
    /*如果我們沒有使用搶占式調(diào)度,我們會強制任務(wù)切換,看看是否有其它任務(wù)變得有效.
    如果使用搶占式調(diào)度,是不需要這樣的,因為任務(wù)變得有效后會搶占空閑任務(wù).*/
    taskYIELD();
     }
     #endif/* configUSE_PREEMPTION */
 
     #if( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) )
     {
    /*  當使用搶占式內(nèi)核,相同優(yōu)先級的任務(wù)使用時間片方式獲得CPU權(quán)限.如果有任務(wù)與空閑
    任務(wù)共享一個優(yōu)先級,那么空閑任務(wù)不必等到時間片耗盡再進行任務(wù)切換.
    如果空閑優(yōu)先級下的就緒列表中有多個任務(wù),則執(zhí)行用戶任務(wù)*/
    if(listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ tskIDLE_PRIORITY ] ) ) >( UBaseType_t ) 1 )
    {
       taskYIELD();
    }
     }
     #endif/* ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 )) */
 
     #if( configUSE_IDLE_HOOK == 1 )
     {
    externvoid vApplicationIdleHook( void );
 
    /*調(diào)用用戶定義函數(shù).這樣允許設(shè)計者在不增加任務(wù)開銷的情況下實現(xiàn)后臺功能
    注意:這個函數(shù)中絕對不允許調(diào)用任務(wù)可能引起阻塞的函數(shù).*/
    vApplicationIdleHook();
     }
     #endif/* configUSE_IDLE_HOOK */
 
     #if( configUSE_TICKLESS_IDLE != 0 )
     {
     TickType_txExpectedIdleTime;
 
    /*如果每次執(zhí)行空閑任務(wù)都掛起調(diào)度器,然后再解除調(diào)度器,這很難讓人滿意,因此這里
    執(zhí)行兩次同樣的比較(xExpectedIdleTime和configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP),
    第一次比較是測試一下是否達到預期的空閑時間,并不會掛起調(diào)度器.*/
    xExpectedIdleTime= prvGetExpectedIdleTime();
 
    if(xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
    {
      vTaskSuspendAll();
      {
         /*現(xiàn)在調(diào)度器被掛起,需要再次采樣空閑時間,這次空閑時間可以使用了*/
         configASSERT(xNextTaskUnblockTime >= xTickCount );
         xExpectedIdleTime= prvGetExpectedIdleTime();
 
         if(xExpectedIdleTime >= configEXPECTED_IDLE_TIME_BEFORE_SLEEP )
         {
        portSUPPRESS_TICKS_AND_SLEEP(xExpectedIdleTime );
         }
      }
      (void ) xTaskResumeAll();
    }
     }
     #endif/* configUSE_TICKLESS_IDLE */
  }
}