FreeRTOS 简单内核实现8 时间片轮询

0、思考与回答

0.1、思考一

为什么要增加时间片轮询？
目前的 RTOS 内核已经支持抢占优先级，即高优先级的任务会抢占低优先级的任务得到执行，但是对于同等优先级的任务，如果不支持时间片轮询，则只能有一个任务运行，并且由于优先级相同所以除延时阻塞到期外也不会发生任务调度，因此需要增加时间片轮询保证同等优先级的任务能得到轮流执行
1、内核程序修改

1.1、xTaskIncrementTick( )

在该函数中除了任务延时阻塞时间到期产生任务调度外，增加支持时间片轮询的任务切换，具体如下所示

1. /*task.c*/
2. BaseType_t xTaskIncrementTick(void)
3. {
4.         // 省略未修改的程序
5.         ......
6. #if((configUSE_PREEMPTION == 1) && (configUSE_TIME_SLICING == 1))
7.         // 支持时间片轮询
8.         if(listCURRENT_LIST_LENGTH(&(pxReadyTasksLists[pxCurrentTCB->uxPriority])) > 1)
9.         {
10.                 xSwitchRequired = pdTRUE;
11.         }
12. #endif
13.         return xSwitchRequired;
14. }

复制代码

1. /* FreeRTOSConfig.h */
2. // 支持时间片轮询
3. #define configUSE_TIME_SLICING                  1

复制代码

1.2、原理

假设当前系统中只存在两个优先级相同的任务，时间片轮询任务切换流程如下
xTaskIncrementTick()
-> vTaskSwitchContext()
-> taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()
-> listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()
当进入滴答定时器中断服务函数时，如果发现就绪链表数组中的某个链表中链表项的数量大于 1 ，则表示该优先级下有不止一个任务，此时就可以产生任务调度
当有任务调度产生的时候，会调用 vTaskSwitchContext() 和 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() 两个函数寻找当前的最高优先级任务，但是系统中只有两个优先级相同的任务，因此最高优先级仍然没变，但是在这个优先级下返回的任务却变成了下一个
为什么呢？
关键在于 listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY() 函数，这个宏函数每次调用会获取链表中下一个链表项的 pvOwner 参数，由于是双向链表，因此会不断的循环链表中的链表项（两个同等优先级的任务），每次发生任务调度就会切换一次任务，所以就实现了时间片轮询
3、实验

3.1、测试

参考 FreeRTOS 简单内核实现6 优先级 "3.1、测试" 小节内容，将两个任务的优先级修改为一样，然后在两个任务中均使用软件延时模拟任务连续运行，具体程序如下所示

1. /* main.c */
2. /* USER CODE BEGIN Includes */
3. #include "FreeRTOS.h"
4. /* USER CODE END Includes */
6. /* USER CODE BEGIN PV */
7. // 软件延时
8. void delay(uint32_t count)
9. {
10.         for(;count!=0;count--);
11. }
13. TaskHandle_t Task1_Handle;
14. #define TASK1_STACK_SIZE                    128
15. StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE];
16. TCB_t Task1TCB;
17. UBaseType_t Task1Priority = 2;
19. TaskHandle_t Task2_Handle;
20. #define TASK2_STACK_SIZE                    128
21. StackType_t Task2Stack[TASK2_STACK_SIZE];
22. TCB_t Task2TCB;
23. UBaseType_t Task2Priority = 2;
25. // 任务 1 入口函数
26. void Task1_Entry(void *parg)
27. {
28.         for(;;)
29.         {
30.                 HAL_GPIO_TogglePin(GREEN_LED_GPIO_Port, GREEN_LED_Pin);
31.                 delay(10000000);
32.         }
33. }
34. // 任务 2 入口函数
35. void Task2_Entry(void *parg)
36. {
37.         for(;;)
38.         {
39.                 HAL_GPIO_TogglePin(ORANGE_LED_GPIO_Port, ORANGE_LED_Pin);
40.                 delay(10000000);
41.         }
42. }
43. /* USER CODE END PV */
45. /* USER CODE BEGIN 2 */
46. // 创建任务 1 和 2
47. Task1_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)Task1_Entry,
48.                                                                  (char *)"Task1",
49.                                                                  (uint32_t)TASK1_STACK_SIZE,
50.                                                                  (void *)NULL,
51.                                                                  (UBaseType_t)Task1Priority,
52.                                                                  (StackType_t *)Task1Stack,
53.                                                                  (TCB_t *)&Task1TCB);
54.                                                                                                                
55. Task2_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)Task2_Entry,
56.                                                                  (char *)"Task2",
57.                                                                  (uint32_t)TASK2_STACK_SIZE,
58.                                                                  (void *) NULL,
59.                                                                  (UBaseType_t)Task2Priority,
60.                                                                  (StackType_t *)Task2Stack,
61.                                                                  (TCB_t *)&Task2TCB );
62. // 启动任务调度器，永不返回
63. vTaskStartScheduler();
64. /* USER CODE END 2 */

复制代码

将 configUSE_TIME_SLICING 调整为 0 ，然后烧录程序，仍然使用逻辑分析仪捕获两个 LED 的引脚电平，结果如下图所示

可以发现在不启用时间片轮询时，由于两个任务优先级一致，并且两个任务模拟连续运行，因此只有任务 Task2 被运行 （为什么是 Task2 ?）
将 configUSE_TIME_SLICING 调整为 1，然后烧录程序，仍然使用逻辑分析仪捕获两个 LED 的引脚电平，结果如下图所示

可以发现，对于优先级相同且连续运行的任务几乎是在同时运行，其实是因为每个时间片（滴答定时器间隔）都发生了一次任务调度
3.2、待改进

当前 RTOS 简单内核已实现的功能有

• 静态方式创建任务
  
• 手动切换任务
  
• 临界段保护
  
• 任务阻塞延时
  
• 支持任务优先级
  
• 阻塞链表
  
• 时间片轮询
  

后续 RTOS 简单内核可以增加

• 任务间通信机制
  
  
  • 信号量
    
  • 互斥锁
    
  • 消息队列
    
  • ......
    
  
  
• 其他功能
  
  
  • 软件定时器
    
  • ......
    
  
  

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