詳解FreeRTOS:嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)的多任務(wù)機(jī)制(理論篇—2)
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在詳解FreeRTOS：嵌入式軟件系統(tǒng)架構(gòu)（理論篇—1）文章中，講解到輪詢系統(tǒng)架構(gòu)、前后臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)和多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn)和區(qū)別。從本篇文章開始講一講嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的理論知識(shí)。
在單處理器（嵌入式MCU）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在某一具體時(shí)刻處理器只能運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，但是可以通過將處理器運(yùn)行時(shí)間分成小的時(shí)間段，多個(gè)任務(wù)按照一定的原則分享這些時(shí)間段的方法，輪流加載執(zhí)行各個(gè)任務(wù)，從而從宏觀上看，有多個(gè)任務(wù)在處理器上同時(shí)執(zhí)行，這就是單處理器系統(tǒng)上的多任務(wù)機(jī)制的原理，如下圖所示：
任務(wù)A和任務(wù)B按照等長時(shí)間輪流占用處理器，在單處理器上造成多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的假象。
這里先聊一聊多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的分割時(shí)間段。
將處理器運(yùn)行時(shí)間分成小的時(shí)間段指明了把處理器時(shí)間以多大的頻率分割成固定長度的時(shí)間片段，也叫做多任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的時(shí)鐘節(jié)拍。作為多任務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間尺度，時(shí)鐘節(jié)拍是通過特定的硬件定時(shí)器產(chǎn)生的。硬件定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生周期的中斷，在相應(yīng)的中斷處理函數(shù)中，內(nèi)核代碼得以運(yùn)行，從而進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和定時(shí)器時(shí)間處理等內(nèi)核工作。
硬件定時(shí)器中斷的時(shí)間間隔取決于不同的內(nèi)核設(shè)計(jì)，一般是毫秒級(jí)的。時(shí)鐘節(jié)拍越快，內(nèi)核函數(shù)介入系統(tǒng)運(yùn)行的幾率就越大，時(shí)鐘節(jié)拍中斷響應(yīng)次數(shù)越多，內(nèi)核占用的處理器時(shí)間越長。相反，如果時(shí)鐘節(jié)拍太慢，則導(dǎo)致任務(wù)的切換間隔時(shí)間過長，進(jìn)而影響到系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)效果。
舉個(gè)例子，如下圖所示，硬件定時(shí)器按照固定的時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷，然后在時(shí)鐘節(jié)拍中斷ISR中（圖中以T標(biāo)記）處理內(nèi)核的工作。T0~T1這段時(shí)間是內(nèi)核占用的時(shí)間（時(shí)鐘節(jié)拍處理程序），T1~T2這段時(shí)間是任務(wù)占用的時(shí)間。而T0~T2則是一次時(shí)鐘節(jié)拍的全部時(shí)間，可以看出，任務(wù)1的本輪執(zhí)行占用了3個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。
因?yàn)椴煌蝿?wù)的運(yùn)行路徑不同，在某一時(shí)刻有些任務(wù)可能需要等待一些資源，這時(shí)可以通過某種方案，使當(dāng)前任務(wù)讓出處理器，從而避免因?yàn)槿蝿?wù)等待資源而長期占有處理器而使其他任務(wù)無法運(yùn)行。這樣多任務(wù)機(jī)制可以使處理器的利用率得到提高，并提高了系統(tǒng)的處理能力。
在多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核中必須提供解決并發(fā)任務(wù)的機(jī)制。通用操作系統(tǒng)一般以“進(jìn)程”、“線程"等為單位來管理用戶任務(wù)。
但在很多嵌入式操作系統(tǒng)中，并沒有區(qū)分進(jìn)程和線程，只是把整個(gè)操作系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)大的運(yùn)行實(shí)體，其中運(yùn)行著很多任務(wù)。任務(wù)通常作為調(diào)度的基本單位。
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