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FreeRTOS進(jìn)階之空閑任務(wù)示例完全解析

 更新時(shí)間：2022年04月11日 10:22:24   作者：zhzht19861011  
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS進(jìn)階之空閑任務(wù)示例的完全解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步早日升職加薪

當(dāng)RTOS調(diào)度器開始工作后，為了保證至少有一個(gè)任務(wù)在運(yùn)行，空閑任務(wù)被自動(dòng)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?yàn)镕reeRTOS設(shè)計(jì)要求必須至少有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)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(gè)任務(wù)刪除另外一個(gè)任務(wù)，被刪除任務(wù)的堆棧和TCB立即釋放。如果一個(gè)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(huì)檢查是否有任務(wù)刪除了自己，如果有的話，空閑任務(wù)負(fù)責(zé)刪除這個(gè)任務(wù)的TCB和堆?？臻g。

2. 處理空閑優(yōu)先級任務(wù)

當(dāng)使用搶占式內(nèi)核，相同優(yōu)先級的任務(wù)使用時(shí)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(gè)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(shí)間片耗盡再進(jìn)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(gè)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(huì)起作用。

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

通過時(shí)間片共享同一個(gè)優(yōu)先級的多個(gè)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(shí)間。

但如果共享空閑優(yōu)先級時(shí)，情況會(huì)稍微有些不同。當(dāng)configIDLE_SHOULD_YIELD為1時(shí)，其它共享空閑優(yōu)先級的用戶任務(wù)就緒時(shí)，空閑任務(wù)立刻讓出CPU，用戶任務(wù)運(yùn)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(huì)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(gè)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(shí)刻。當(dāng)用戶任務(wù)運(yùn)行時(shí)，空閑任務(wù)立刻讓出CPU，但是，空閑任務(wù)已經(jīng)消耗了當(dāng)前時(shí)間片中的一定時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)間。

可以通過下面方法避免：

  • 如果合適的話，將處于空閑優(yōu)先級的各單獨(dú)的任務(wù)放置到空閑鉤子函數(shù)中；
  • 創(chuàng)建的用戶任務(wù)優(yōu)先級大于空閑優(yōu)先級；
  • 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(shí)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(shí)間，但是，這是以分配給空閑任務(wù)更高比例的處理器時(shí)間為代價(jià)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(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)由用戶來實(shí)現(xiàn)，RTOS規(guī)定了函數(shù)的名字和參數(shù)，這個(gè)函數(shù)在每個(gè)空閑任務(wù)周期都會(huì)被調(diào)用。

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)空閑鉤子：

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

這個(gè)鉤子函數(shù)不可以調(diào)用會(huì)引起空閑任務(wù)阻塞的API函數(shù)（例如：vTaskDelay()、帶有阻塞時(shí)間的隊(duì)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(jìn)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(jì)者自己實(shí)現(xiàn)），在空閑任務(wù)鉤子函數(shù)中設(shè)置微處理器進(jìn)入低功耗模式來達(dá)到省電的目的。因?yàn)橄到y(tǒng)要響應(yīng)系統(tǒng)節(jié)拍中斷事件，因此使用這種方法會(huì)周期性的退出、再進(jìn)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(shí)間會(huì)消耗在進(jìn)入和退出低功耗狀態(tài)上。

FreeRTOS的tickless空閑模式會(huì)在空閑周期時(shí)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(shí)間處于低功耗模式。移植層需要配置外部喚醒中斷，當(dāng)喚醒事件到來時(shí)，將微控制器從低功耗模式喚醒。

微控制器喚醒后，會(huì)重新使能系統(tǒng)節(jié)拍中斷。由于微控制器在進(jìn)入低功耗后，系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)數(shù)器是停止的，但我們又需要知道這段時(shí)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(gè)不受低功耗影響的外部時(shí)鐘源，即微處理器處于低功耗模式時(shí)它也在計(jì)時(shí)的，這樣在重啟系統(tǒng)節(jié)拍中斷時(shí)就可以根據(jù)這個(gè)外部計(jì)時(shí)器計(jì)算出一個(gè)調(diào)整值并寫入RTOS 系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)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(fù)責(zé)刪除這個(gè)任務(wù)的TCB和堆?？臻g */ prvCheckTasksWaitingTermination(); #if( configUSE_PREEMPTION == 0 ) {/*如果我們沒有使用搶占式調(diào)度,我們會(huì)強(qiáng)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?yàn)槿蝿?wù)變得有效后會(huì)搶占空閑任務(wù).*/taskYIELD(); } #endif/* configUSE_PREEMPTION */ #if( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) ) {/* 當(dāng)使用搶占式內(nèi)核,相同優(yōu)先級的任務(wù)使用時(shí)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(gè)優(yōu)先級,那么空閑任務(wù)不必等到時(shí)間片耗盡再進(jìn)行任務(wù)切換.如果空閑優(yōu)先級下的就緒列表中有多個(gè)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(jì)者在不增加任務(wù)開銷的情況下實(shí)現(xiàn)后臺(tái)功能注意:這個(gè)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,起然后再解除調(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(dá)到預(yù)期的空閑時(shí)間,并不會(huì)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(shí)間,這次空閑時(shí)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 */ }}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(fù)責(zé)刪除這個(gè)任務(wù)的TCB和堆?？臻g */
		   prvCheckTasksWaitingTermination();
 
		   #if( configUSE_PREEMPTION == 0 )
		   {
				/*如果我們沒有使用搶占式調(diào)度,我們會(huì)強(qiáng)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?yàn)槿蝿?wù)變得有效后會(huì)搶占空閑任務(wù).*/
				taskYIELD();
		   }
		   #endif/* configUSE_PREEMPTION */
		   #if( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configIDLE_SHOULD_YIELD == 1 ) )
		   {
				/*  當(dāng)使用搶占式內(nèi)核,相同優(yōu)先級的任務(wù)使用時(shí)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(gè)優(yōu)先級,那么空閑任務(wù)不必等到時(shí)間片耗盡再進(jìn)行任務(wù)切換.
				如果空閑優(yōu)先級下的就緒列表中有多個(gè)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(jì)者在不增加任務(wù)開銷的情況下實(shí)現(xiàn)后臺(tái)功能
				注意:這個(gè)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,起然后再解除調(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(dá)到預(yù)期的空閑時(shí)間,并不會(huì)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(shí)間,這次空閑時(shí)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 */
	 }
}

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