FreeRTOS系列第27篇---FreeRTOS系統(tǒng)延時分析

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(wù)執(zhí)行函數(shù)vTaskDelay()開始，延時指定的時間結(jié)束；

絕對延時是指每隔指定的時間，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API函數(shù)的原型和用法，本文將分析這兩個函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理。

1. 相對延時函數(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)延時函數(shù),阻塞500ms */
         vTaskDelay( xDelay );  
     }  
}  

對于這樣一個任務(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)核會周期性的檢查任務(wù)A的阻塞是否達(dá)到，如果阻塞時間達(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每次延時都是從調(diào)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(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(wù)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(dāng)前任務(wù)加入延時列表 */
    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)算喚醒時間,然后將任務(wù)加入延時列表 */
            prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay, pdFALSE );
        }
        xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();
    }
 
 
    /* 強(qiáng)制執(zhí)行一次上下文切換*/
    if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
    {
        portYIELD_WITHIN_API();
    }
}

如果延時大于0，則會將當(dāng)前任務(wù)從就緒列表刪除，然后加入到延時列表。

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，其中有一個變量xTickCount定義如下所示：

static volatile TickType_t xTickCount = ( TickType_t ) 0U;

這個變量用來計(jì)數(shù)，記錄系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)，它在啟動調(diào)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(dāng)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(wù)的時間，xTickCount+ xTicksToDelay會被記錄到任務(wù)TCB中，隨著任務(wù)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(gòu)中，當(dāng)xTicksToDelay達(dá)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(wù)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(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)拍時鐘中斷，中斷服務(wù)函數(shù)都會檢查這兩個延時列表，查看延時的任務(wù)是否到期，如果時間到期，則將任務(wù)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(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù)，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(wù)，任務(wù)B首先調(diào)用絕對延時函數(shù)vTaskDelayUntil ()進(jìn)入阻塞狀態(tài)，阻塞時間到達(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)延時函數(shù),周期性阻塞500ms */        
        vTaskDelayUntil( &xLastWakeTime,xFrequency );  
   
         //  ...
         //  這里為任務(wù)主體代碼,周期性執(zhí)行.注意這和vTaskDelay()函數(shù)也不同
         //  ...
  
    }  
}  

對于這樣一個任務(wù)，執(zhí)行過程如圖2-1所示。

當(dāng)任務(wù)B獲取CPU使用權(quán)后，先調(diào)用系統(tǒng)延時函數(shù)vTaskDelayUntil()使任務(wù)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

任務(wù)B進(jìn)入阻塞后，其它任務(wù)得以執(zhí)行。

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

由于任務(wù)B的優(yōu)先級最高，會搶占CPU，接下來執(zhí)行任務(wù)主體代碼。

任務(wù)主體代碼執(zhí)行完畢后，會繼續(xù)調(diào)用系統(tǒng)延時函數(shù)vTaskDelayUntil()使任務(wù)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，周而復(fù)始。

從圖2-1可以看出，從調(diào)用函數(shù)vTaskDelayUntil()開始，每隔固定+-周期，任務(wù)B的主體代碼就會被執(zhí)行一次，即使任務(wù)B在執(zhí)行過程中發(fā)生中斷，也不會影響這個周期性，只是會縮短其它任務(wù)的執(zhí)行時間！

所以這個函數(shù)被稱為絕對延時函數(shù)，它可以用于周期性的執(zhí)行任務(wù)A的主體代碼。

函數(shù)vTaskDelayUntil()是如何做到周期性的呢，我們來看一下源碼。

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement )
{
TickType_t xTimeToWake;
BaseType_t xAlreadyYielded, xShouldDelay = pdFALSE;
 
    vTaskSuspendAll();
    {
        /* 保存系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器 */
        const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;
 
        /* 計(jì)算任務(wù)下次喚醒時間(以系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)表示)   */
        xTimeToWake = *pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement;
        
        /* *pxPreviousWakeTime中保存的是上次喚醒時間,喚醒后需要一定時間執(zhí)行任務(wù)主體代碼,如果上次喚醒時間大于當(dāng)前時間,說明節(jié)拍計(jì)數(shù)器溢出了 */
        if( xConstTickCount < *pxPreviousWakeTime )
        {
            /*只有當(dāng)周期性延時時間大于任務(wù)主體代碼執(zhí)行時間,才會將任務(wù)掛接到延時列表.*/
            if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) && ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )
            {
                xShouldDelay = pdTRUE;
            }
        }
        else
        {
            /* 也都是保證周期性延時時間大于任務(wù)主體代碼執(zhí)行時間 */
            if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) || ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )
            {
                xShouldDelay = pdTRUE;
            }
        }
 
        /* 更新喚醒時間,為下一次調(diào)用本函數(shù)做準(zhǔn)備. */
        *pxPreviousWakeTime = xTimeToWake;
 
        if( xShouldDelay != pdFALSE )
        {
            /* 將本任務(wù)加入延時列表,注意阻塞時間并不是以當(dāng)前時間為參考,因此減去了當(dāng)前系統(tǒng)節(jié)拍中斷計(jì)數(shù)器值*/
            prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTimeToWake - xConstTickCount, pdFALSE );
        }
    }
    xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();
 
    /* 強(qiáng)制執(zhí)行一次上下文切換 */
    if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
    {
        portYIELD_WITHIN_API();
    }
}

與相對延時函數(shù)vTaskDelay不同，本函數(shù)增加了一個參數(shù)pxPreviousWakeTime用于指向一個變量，變量保存上次任務(wù)解除阻塞的時間。

這個變量在任務(wù)開始時必須被設(shè)置成當(dāng)前系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)（見上文的任務(wù)B舉例），此后函數(shù)vTaskDelayUntil()在內(nèi)部自動更新這個變量。

由于變量xTickCount可能會溢出，所以程序必須檢測各種溢出情況，并且要保證延時周期不得小于任務(wù)主體代碼執(zhí)行時間。

這很好理解，不可能出現(xiàn)每5毫秒執(zhí)行一個需要20毫秒才能執(zhí)行完的任務(wù)。

如果我們以橫坐標(biāo)表示變量xTickCount的范圍，則橫坐標(biāo)左端為0，右端為變量xTickCount所能表示的最大值。

在如圖2-2所示的三種情況下，才可以將任務(wù)加入延時列表。圖2-2中，*pxPreviousWakeTime和xTimeToWake之間表示任務(wù)周期性延時時間，*pxPreviousWakeTime和xConstTickCount之間表示任務(wù)B主體代碼執(zhí)行時間。

圖2-2中第一種情況處理系統(tǒng)節(jié)拍中斷計(jì)數(shù)器（xConstTickCount）和喚醒時間計(jì)數(shù)器（xTimeToWake）溢出情況；

第二種情況處理喚醒時間計(jì)數(shù)器（xTimeToWake）溢出情況；

第三種情況處理常規(guī)無溢出的情況。從圖中可以看出，不管是溢出還是無溢出，都要求在下次喚醒任務(wù)之前，當(dāng)前任務(wù)主體代碼必須被執(zhí)行完。

表現(xiàn)在圖2-2中，就是變量xTimeToWake總是大于變量xConstTickCount（每溢出一次的話相當(dāng)于加上一次最大值Max）。

計(jì)算的喚醒時間合法后，就將當(dāng)前任務(wù)加入延時列表，同樣延時列表也有兩個。

每次系統(tǒng)節(jié)拍中斷，中斷服務(wù)函數(shù)都會檢查這兩個延時列表，查看延時的任務(wù)是否到期，如果時間到期，則將任務(wù)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(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù)，則會觸發(fā)一次上下文切換。

3.小結(jié)

上面的例子中，調(diào)用系統(tǒng)延時的任務(wù)都是最高優(yōu)先級，這是為了便于分析而特意為之的，實(shí)際上的任務(wù)可不一定能設(shè)置為最高優(yōu)先級。

對于相對延時，如果任務(wù)不是最高優(yōu)先級，則任務(wù)執(zhí)行周期更不可測，這個問題不大，我們本來也不會使用它作為精確延時；

對于絕對延時函數(shù)，如果任務(wù)不是最高優(yōu)先級，則仍然能周期性的將任務(wù)解除阻塞，但是解除阻塞的任務(wù)不一定能獲得CPU權(quán)限，因此任務(wù)主體代碼也不會總是精確周期性執(zhí)行。

如果要想精確周期性執(zhí)行某個任務(wù)，可以使用系統(tǒng)節(jié)拍鉤子函數(shù)vApplicationTickHook()，它在系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中被調(diào)用，因此這個函數(shù)中的代碼必須簡潔。