FreeRTOS調度器中的三種調度算法實踐（上）

參考資料：《Mastering theFreeRTOS Real Time Kernel》3.12 Scheduling Algorithms

瑞薩RZ/T2L MPU

RZ/T2L是一款高性能MPU，可通過EtherCAT實現高速、高精度的實時控制。RZ/T2L搭載最大頻率為800MHz的Arm Cortex-R52內核以及與CPU緊密耦合的大容量內存（576KB），可以降低使用高速緩存存儲器時出現的執行時間波動，并提供確定性與高速響應處理。RZ/T2L在CPU內核、外設功能和LLPP（低延時外設端口）總線等方面具備與RZ/T2M無縫連接的硬件架構，可用于AC servo等更高性能的控制系統。此外，RZ/T2L提供了與瑞薩MPU和MCU可兼容、可擴展的軟件平臺。它使客戶可以利用自己的軟件資產進行新機型的開發。

RZ/T2L產品框圖

1.?任務狀態和事件的概述

實際正在運行（使用處理時間）的任務處于運行態。在單個核心處理器上，在任何時候都只能有一個任務處于運行態。

沒有實際運行，但既不處于阻塞態也不處于掛起態的任務就是處于就緒態。

處于就緒態的任務可被調度器選擇，然后進入運行態。調度程序會始終選擇最高優先級的就緒態任務進入運行態。

任務可以在阻塞態下等待事件，并在事件發生時自動移回就緒態。

時間事件發生在特定的時間，例如當阻塞時間過期時，通常用于實現周期性或超時行為。當任務或中斷服務例程使用任務通知、隊列、事件組或多種類型的信號量之一發送信息時，就會發生同步事件。它們通常用于需要同步的情況，例如數據同步。

2.配置調度算法

調度算法決定了調度器將哪個就緒態任務轉換到運行態。

可以使用configUSE_PREEMPTION和configUSE_TIME_SLICING配置常量來更改算法。這兩個常量都在FreeRTOSConfig.h中定義。

還有個配置常數configUSE_TICKLESS_IDLE也會影響調度算法，因為使用它會導致tick中斷在很長一段時間內被完全關閉。configUSE_TICKLESS_IDLE是一個高級選項，專門用于必須最小化功耗的應用程序。configUSE_TICKLESS_IDLE在之后解說。

對于相同優先級的任務，FreeRTOS調度器依次選中相同優先級的任務進入運行態。這種輪流策略被稱為‘Round Robin Scheduling’

‘Round Robin Scheduling’算法并不能保證同等優先級的任務之間運行相同的時間，只能保證同等優先級的“就緒”任務會依次進入“運行”態。

2.1

基于時間片的搶占式調度

如果按照如下配置：

configUSE_PREEMPTION 1

configUSE_TIME_SLICING 1

FreeRTOS調度器使用一種稱為“基于時間片的固定優先級搶占式調度”的調度算法，這是大多數小型RTOS應用程序使用的調度算法。

固定優先級

被描述為“固定優先級”的調度算法不會改變分配給被調度任務的優先級，但也不會阻止任務本身改變自己的優先級或其他任務的優先級。

搶占式調度

在優先級高于運行態任務的任務進入就緒態時，調度器立即讓這個高優先級的任務“搶占”運行態任務。被搶占意味著任務移出運行態并進入就緒態，并不是因為任務自己主動讓出或者阻塞。

時間片

時間片用于在具有相同優先級的任務之間共享處理時間，即使任務沒有顯式地讓步或進入阻塞狀態。使用“時間片”的調度算法將在每個時間片結束時選擇一個新任務進入運行狀態，如果有其他與運行任務具有相同優先級的就緒狀態任務。一個時間片等于兩個RTOS tick中斷之間的時間。

上圖演示了使用“基于時間片的固定優先級搶占式調度”算法搶占調度任務的調度過程。

task1是最高優先級的事件驅動任務，task2是中等優先級的周期性任務，task3是最低優先級的事件驅動任務，Idle task是空閑任務。

task1周期性運行，阻塞時，空閑任務就會運行，task3的事件到達就會搶占空閑任務，task3運行期間，如果task2的周期到了，因為task2優先級高就會搶占task3，task2運行完了再接著運行task2，task2運行期間，由于task1優先級高，一旦task1等待的事件到了就會搶占task2。

有相同優先級任務的情況：