FreeRTOS时间片调度及实践测试-EW帮帮网

FreeRTOS时间片调度及代码实践

前言
一、时间片调度的原理
- 1. 时间片调度的基本概念
二、实践测试
参考文献

前言

上一篇文章《硬核解析FreeRTOS任务切换：从寄存器底层到PendSV机制，一文吃透核心原理》介绍了不同优先级的任务之间如何切换，本质上是“抢占式调度”。那么问题来了，相同优先级且都处于就绪态的任务如何进行切换呢？

一、时间片调度的原理

FreeRTOS中，时间片调度是多任务调度机制中的一种重要方式，它允许具有相同优先级的任务轮流执行，确保每个任务都有机会使用 CPU 资源。

1. 时间片调度的基本概念

时间片，也称为时间配额，是指为每个任务分配的一段固定的 CPU 执行时间。在 FreeRTOS 中，当多个任务具有相同优先级时，系统会按照时间片轮转的方式，让这些任务依次运行一个时间片的时长，然后切换到下一个任务，从而实现多个同优先级任务的并发执行效果，从宏观上看，就好像这些任务在同时运行。

2. 时间片调度的实现原理

SysTick 定时器：FreeRTOS 使用 SysTick（系统滴答定时器）作为系统的时基。通常会配置 SysTick 定时器产生周期性的中断，比如每 1ms 产生一次中断。每次 SysTick 中断发生时，系统会执行中断服务函数，在这个函数中对系统时间进行更新，并检查是否需要进行任务调度。
任务切换机制：当 SysTick 中断触发任务调度时，如果当前正在运行的任务的时间片已经用完（通过一个计数器记录任务已执行的时间片数量来判断），并且存在其他同优先级的就绪任务，调度器就会触发上下文切换，保存当前任务的现场（将 CPU 寄存器的值保存到任务的堆栈中），并恢复下一个同优先级就绪任务的现场（从该任务的堆栈中恢复 CPU 寄存器的值到 CPU 中），让下一个任务开始执行。
就绪任务列表：FreeRTOS 维护了多个就绪任务列表，按照任务优先级进行组织。对于每个优先级，都有一个对应的列表，同优先级的任务都被添加到该优先级对应的列表中。当进行时间片调度时，调度器会从当前优先级的就绪任务列表中选择下一个要执行的任务，通常是按照先进先出（FIFO）的顺序选取。

3. 四个问题

1. 时间片的长度谁决定？

宏定义 configTICK_RATE_HZ！
在 FreeRTOS 的配置文件 FreeRTOSConfig.h 中，configTICK_RATE_HZ 用于设置 SysTick 定时器的中断频率，即系统时基的频率。例如，若将其设置为 1000，就表示每 1ms 产生一次 SysTick 中断。这个值的大小会影响时间片的精度和系统的整体性能。
例如：

#define configTICK_RATE_HZ				( ( TickType_t ) 1000 )

2. FreeRTOS 维护了多少个就绪任务列表？

我们先看代码中是怎么说的。下面定义了一个数组，就是就绪状态的列表数组。所以数组中元素的个数，就是就绪列表的个数。

PRIVILEGED_DATA static List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];/*< Prioritised ready tasks. */

查看这个宏定义，发现我当前代码中，这个宏等于5。

#define configMAX_PRIORITIES			( 5 )

3. 这意味着什么？

紧接着上面的问题，宏定义configMAX_PRIORITIES等于5，意味着我的任务优先级必须是0-4！在任务创建的时候，我们需要指定任务的优先级，这个时候就需要关注一下：我的任务最多可以设置多大的优先级。如果设置的优先级超过了这个范围，FreeRTOS会自动设置为最大优先级。具体操作如下：

	if( uxPriority >= ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES )
	{
		uxPriority = ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( UBaseType_t ) 1U;
	}

代码里的宏上面已经说了，就不赘述了。

4. 使能时间片调度的宏有哪些？

宏定义configUSE_TIME_SLICING必须使能！该配置项用于开启或关闭时间片调度功能。
- 将其设置为1表示启用时间片调度，当有多个同优先级任务就绪时，会按照时间片轮转的方式进行调度。
- 设置为0则表示禁止时间片调度，同优先级的任务会按照其他方式（如先到先服务，直到任务阻塞或主动让出 CPU ）执行。
另外，宏configUSE_PREEMPTION也必须使能！否则无法完成时间片调度。这部分内容在二、实践测试章节会细讲。

4. 时间片调度的优缺点

优点：
- 公平性：确保了同优先级的任务都能公平地获得 CPU 执行时间，不会出现某个任务长时间占用 CPU 而导致其他同优先级任务得不到执行的情况。
- 提高响应性：对于一些对实时性要求不是特别高，但又需要并发执行的任务，时间片调度可以在一定程度上提高系统对这些任务的响应性，使它们看起来像是在同时运行。
缺点：
- 上下文切换开销：每次时间片切换都需要进行上下文切换操作，保存和恢复任务的现场，这会带来一定的 CPU 开销。如果时间片设置得过短，频繁的上下文切换可能会降低系统的整体性能。
- 无法满足严格实时性需求：对于一些对时间要求极其严格的实时任务，时间片调度可能无法保证它们在特定的时间内得到执行，因为任务的执行顺序和时间取决于时间片的轮转，存在一定的不确定性。

5. 时间片调度的应用场景

用户接口任务：在一些嵌入式设备中，可能存在多个用户接口相关的任务，如按键处理任务、显示更新任务等，这些任务优先级相同且对实时性要求不是非常苛刻，适合采用时间片调度，使它们能够轮流执行，保证用户操作的流畅响应。
数据采集与处理任务：当系统中有多个数据采集传感器，且对应的数据处理任务优先级相同时，可以使用时间片调度，让这些任务依次获取 CPU 资源进行数据处理，实现并发采集和处理的效果。

二、实践测试

下面我们实操测试一下，深入理解一下时间片调度的逻辑。

1. 使能相关的宏定义

#define configUSE_TIME_SLICING       1 //FreeRTOS.h

#define configUSE_PREEMPTION			1 //FreeRTSOConfig.h

#define configTICK_RATE_HZ				( ( TickType_t ) 20 )

注意：这里强行将滴答定时器的中断溢出频率改为20Hz，也就是说，时间片的长度是50ms！等测试完成要改回到1000。

#define configTICK_RATE_HZ				( ( TickType_t ) 20 )

对于宏configTICK_RATE_HZ已经在上面讲过了，下面讲一下宏configUSE_PREEMPTION的含义。

1. configUSE_PREEMPTION

在 FreeRTOS 中，configUSE_PREEMPTION 是一个核心的配置宏（定义在 FreeRTOSConfig.h 文件中），用于控制任务调度的基本行为，决定系统是采用 抢占式调度（Preemptive） 还是 协作式调度（Cooperative）。以下是它的详细作用：

(1) 功能说明

启用抢占式调度（configUSE_PREEMPTION = 1）
- 行为：
  - 高优先级任务可以立即抢占正在运行的低优先级任务（例如通过中断、信号量唤醒时）。
  - 调度器会在每个时钟节拍（tick）中断时检查是否有更高优先级的任务就绪，若有则触发任务切换。
- 特点：
  - 实时性强，适合需要快速响应的场景（如硬件控制、实时数据处理）。
  - 默认情况下，FreeRTOS 使用抢占式调度。
禁用抢占式调度（configUSE_PREEMPTION = 0，协作式）
- 行为：
  - 任务必须主动释放 CPU（通过调用 taskYIELD()、vTaskDelay() 或阻塞式 API 如队列/信号量等待），其他任务才能运行。
  - 即使高优先级任务就绪，也不会抢占当前任务。
- 特点：
  - 任务切换由开发者显式控制，确定性高，但实时性较差。
  - 适合资源受限或对任务执行顺序有严格要求的场景。

(2) 与configUSE_TIME_SLICING的关联

当 configUSE_PREEMPTION=1 时，同优先级任务会按时间片轮转调度（需 configUSE_TIME_SLICING=1）。

注意：若禁用抢占，时间片轮转无效。

2. configUSE_TIME_SLICING

在 FreeRTOS 中，configUSE_TIME_SLICING 是一个配置宏（定义在 FreeRTOSConfig.h 文件中），用于控制 同优先级任务的时间片轮转调度（Round-Robin Scheduling） 行为。时间片轮转 仅在同优先级任务间生效，高优先级任务始终优先执行。

(1) 功能说明

当多个任务处于 相同优先级 时，configUSE_TIME_SLICING 决定是否允许它们 共享 CPU 时间，按照 固定时间片（Time Slice） 轮流执行。
默认情况下，FreeRTOS 启用时间片轮转（configUSE_TIME_SLICING=1），但仅在 抢占式调度（configUSE_PREEMPTION=1） 时生效。

(2) 与taskYIELD()的关系

即使禁用时间片轮转，仍可通过taskYIELD() 手动触发任务切换。

`configUSE_TIME_SLICING`	效果
`=1`（默认）	同优先级任务按时间片轮转（每个任务运行一个 tick 周期后切换）。
`=0`	同优先级任务不会自动切换，必须主动让出 CPU（如调用 `taskYIELD()` 或阻塞）。

2. 配置任务和初始化函数

注意：每个任务的优先级设置成一样的！否则不能测试时间片调度！


#define START_TASK_PRIO     1//任务优先级
#define START_STK_SIZE      128//任务堆栈大小
TaskHandle_t StartTask_Handler;//任务句柄
void start_task(void * pvParameters);//任务函数

#define TASK1_PRIO          3//任务优先级
#define TASK1_STK_SIZE      50//任务堆栈大小
TaskHandle_t Task1_Handler;//任务句柄
void task1(void * p_arg);//任务函数

#define TASK2_PRIO           3//任务优先级
#define TASK2_STK_SIZE       50//任务堆栈大小
TaskHandle_t Task2_Handler;//任务句柄
void task2(void * p_arg);//任务函数

#define TASK3_PRIO              3//任务优先级
#define TASK3_STK_SIZE          50//任务堆栈大小
TaskHandle_t                    Task3_Handler;//任务句柄
void task3(void * p_arg);       //任务函数


int main(void)
{	
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);
    delay_init(168);
    uart_init(115200);
    LED_Init();
    KEY_Init();							//初始化按键
     
    //创建开始任务
    xTaskCreate((TaskFunction_t) start_task,
                (const char*) "start_task",
                (uint16_t) START_STK_SIZE,
                (void*) NULL,
                (UBaseType_t)START_TASK_PRIO,
                (TaskHandle_t*) &StartTask_Handler);
    vTaskStartScheduler();

    return 1;
}

//开始任务函数
void start_task(void * pxParameters)
{
	taskENTER_CRITICAL();//进入临界区

    //创建task1任务
	xTaskCreate((TaskFunction_t) task1,
	            (const char*) "task1",
				(uint16_t) TASK1_STK_SIZE,
				(void*) NULL,
				(UBaseType_t)TASK1_PRIO,
				(TaskHandle_t*) &Task1_Handler);
    
    //创建task2任务
	xTaskCreate((TaskFunction_t) task2,
	            (const char*) "task2",
				(uint16_t) TASK2_STK_SIZE,
				(void*) NULL,
				(UBaseType_t)TASK2_PRIO,
				(TaskHandle_t*) &Task2_Handler);

    //创建task3任务
	xTaskCreate((TaskFunction_t) task3,
	            (const char*) "task3",
				(uint16_t) TASK3_STK_SIZE,
				(void*) NULL,
				(UBaseType_t)TASK3_PRIO,
				(TaskHandle_t*) &Task3_Handler);


	vTaskDelete(StartTask_Handler);//删除开始任务
	taskEXIT_CRITICAL();//推出临界区
}

/*********************************************************************
 * task1 时间片是50ms，所以每10ms执行一次，理论上输出5次，但由于printf消耗时间，所以可能是4-5次
 **********************************************************************/
void task1(void * pxParameters)
{
    uint8_t number_task1 = 0;

    while(1)
    {
        taskENTER_CRITICAL();//进入临界区
        printf("Task1 running times: %d\r\n", ++number_task1);
        taskEXIT_CRITICAL();//推出临界区
        delay_ms(10);
    }
}

/*********************************************************************
 * task2 时间片是50ms，所以每10ms执行一次，理论上输出5次，但由于printf消耗时间，所以可能是4-5次
 **********************************************************************/
void task2(void * pxParameters)
{
    uint8_t number_task2 = 0;

    while(1)
    {
        taskENTER_CRITICAL();//进入临界区
        printf("Task2 running times: %d\r\n", ++number_task2);
        taskEXIT_CRITICAL();//推出临界区
        delay_ms(10);
    }
}

/*********************************************************************
 * task3 时间片是50ms，所以每10ms执行一次，理论上输出5次，但由于printf消耗时间，所以可能是4-5次
 **********************************************************************/
void task3(void * pxParameters)
{
    uint8_t number_task3 = 0;

    while(1)
    {
        taskENTER_CRITICAL();//进入临界区
        printf("Task3 running times: %d\r\n", ++number_task3);
        taskEXIT_CRITICAL();//推出临界区
        delay_ms(10);
    }
}

在上面的代码中，我的每一个任务优先级都是3，符合前面说的0-4的范围。另外每个任务做的事也也一样，就是打印出来一个字符串，并且使用非阻塞延时函数延时了10ms。
按理说，在一个时间片，应该执行5次才对，但printf函数本身也要花时间，所以实际上执行的次数是4次。
为了防止打印期间被调度，造成打印出来的数据混乱，我加了临界区保护。如果有亲们对临界区有疑问，可以看这篇文章《FreeRTOS中断屏蔽终极指南：从BASEPRI到临界段，破解99%开发者踩过的寄存器陷阱！》。

3. 实验现象

在这里插入图片描述
实验现象与我们预期一致。

参考文献

《正点原子 FreeRTOS开发手册》

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FreeRTOS时间片调度及实践测试

FreeRTOS时间片调度及代码实践

前言

一、时间片调度的原理

1. 时间片调度的基本概念

2. 时间片调度的实现原理

3. 四个问题

1. 时间片的长度谁决定？

2. FreeRTOS 维护了多少个就绪任务列表？

3. 这意味着什么？

4. 使能时间片调度的宏有哪些？

4. 时间片调度的优缺点

5. 时间片调度的应用场景

二、实践测试

1. 使能相关的宏定义

1. configUSE_PREEMPTION

(1) 功能说明

(2) 与configUSE_TIME_SLICING的关联

2. configUSE_TIME_SLICING

(1) 功能说明

(2) 与taskYIELD()的关系

2. 配置任务和初始化函数

3. 实验现象

参考文献

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