freertos之中断优先级、任务优先级、任务调度

1.1 NVIC 基础知识

NVIC 的全称是 Nested vectored interrupt controller，即嵌套向量中断控制器。

对于 M3 和 M4 内核的 MCU，每个中断的优先级都是用寄存器中的 8 位来设置的。8 位的话就可以 设置 2^8 = 256 级中断，实际中用不了这么多，所以芯片厂商根据自己生产的芯片做出了调整。比如 ST 的 STM32F1xx 和 F4xx 只使用了这个 8 位中的高四位[7:4]，低四位取零，这样 2^4=16，只能表示 16 级中断嵌套。

对于这个 NVIC，有个重要的知识点就是优先级分组，抢占优先级和子优先级。

STM32F1xx 和 F4xx 都是只使用了这个 8 位寄存器的高四位[7:4]。

优先级数字越小，优先级越大

Tips:

• Reset、NMI、Hard Fault 优先级为负数，高于普通中断优先级，且优先级不可配置。
• 对于初学者还有一个比较纠结的问题就是系统中断（比如：PendSV，SVC，SysTick）是不是一定比外部中断（比如 SPI,USART）要高，答案：不是的，它们是在同一个 NVIC 下面设置的。

1.2 中断优先级和任务优先级的区别

1. 首先，这两者之间没有任何关系，不管中断的优先级是多少，中断的优先级永远高任何任务的优先级，即在执行的过程中，中断来了就开始执行中断服务程序。
2. 对于STM32F103、F407来说，中断优先级数值越小，优先级就越高，而FreeRTOS的任务优先级是，任务优先级数值越小，任务优先级越低。

2.1 任务优先级说明

• FreeRTOS 中任务的最高优先级是configMAX_PRIORITIES
• 用户实际可以使用的优先级范围是 0 到 configMAX_PRIORITIES – 1
• 用户配置任务的优先级数值越小，那么此任务的优先级越低，空闲任务的优先级是 0。
• 建议用户配置宏定义 configMAX_PRIORITIES 的最大值不要超过 32，
  • 通用方式，没有优化 ---- 配置宏定义 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 为 0
    • 所有平台的移植文件都可以配置为 0，因为这是通用方式。
    • 纯 C 编写，比专用方式效率低。
    • 可用的优先级数量不限制。
  • 专用方式，进行优化 ---- 配置宏定义 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 为 1
    • 部分平台支持。
    • 这些平台架构有专用的汇编指令可以加速算法执行速度。
    • 比通用方式高效。
    • 有最大优先级数限制，通常限制为 32 个。
• 只要芯片资源允许，可以配置任意多个同优先级任务。
• FreeRTOS 中处于运行状态的任务永远是当前能够运行的最高优先级任务

Tips: 什么是时间片：时间片就是同一个优先级下可以有多个任务,每个任务轮流地享有相同的 CPU 时间, 享有 CPU 的时间我们叫时间片。

2.2 任务优先级分配

• IRQ 任务：IRQ 任务是指通过中断服务程序进行触发的任务，此类任务应该设置为所有任务里面优先级最高的。
• 高优先级后台任务：比如按键检测，触摸检测，USB 消息处理，串口消息处理等，都可以归为这一类任务。
• 低优先级的时间片调度任务：比如 emWin 的界面显示，LED 数码管的显示等不需要实时执行的都可以归为这一类任务。实际应用中用户不必拘泥于将这些任务都设置为优先级 1 的同优先级任务，可以设置多个优先级，只需注意这类任务不需要高实时性。
• 空闲任务：空闲任务是系统任务。

2.3 任务优先级修改

FreeRTOS 的任务优先级修改：vTaskPrioritySet(TaskHandle_t xTask, UBaseType_t uxNewPriority)

• 第 1 个参数是任务句柄，用于区分不同的任务。
• 第 2 个参数是给任务配置的新优先级

2.4 任务优先级获取

FreeRTOS 的任务优先级获取：vTaskPriorityGet ( TaskHandle_t xTask )

• 第 1 个参数是任务句柄，用于区分不同的任务。

  configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 0x01
  

  为 0x01 表示用户可以在抢 占式优先级为 1 到 15 的中断里面调用 FreeRTOS 的 API 函数，抢占式优先级为 0 的中断里面是 不允许调用的。

3.1 任务调度 ---- 抢占式，时间片和合作式

FreeRTOS 操作系统支持的任务调度方式：抢占式，时间片和合作式

合作式调度主要用在资源有限的设备上面，现在已经很少使用了。

• 抢占式调度：每个任务都有不同的优先级，任务会一直运行直到被高优先级任务抢占或者遇到阻塞式的 API 函数， 比如 vTaskDelay。
• 时间片调度：每个任务都有相同的优先级，任务会运行固定的时间片个数或者遇到阻塞式的 API 函数，比如 vTaskDelay，才会执行同优先级任务之间的任务切换。

3.2 什么是调度器

调度器：调度器就是使用相关的调度算法来决定当前需要执行的任务。

• 调度器可以区分就绪态任务和挂起任务（由于延迟，信号量等待，邮箱等待，事件组等待等原因而使得任务被挂起）。
• 调度器可以选择就绪态中的一个任务，然后激活它（通过执行这个任务）。当前正在执行的任务是运行态的任务。
• 不同调度器之间最大的区别就是如何分配就绪态任务间的完成时间。

Tips：嵌入式实时操作系统的核心就是调度器和任务切换，调度器的核心就是调度算法。

3.3 抢占式调度器

抢占式调度要掌握的最关键一点是：每个任务都被分配了不同的优先级，抢占式调度器会获得就绪列表中优先级最高的任务，并运行这个任务。

Tips：如果在 FreeRTOSConfig.h 中禁止使用时间片调度，那么每个任务必须配置不同的优先级。

例：

• 创建 3 个任务 Task1，Task2 和 Task3。
• Task1 的优先级为 1，Task2 的优先级为 2，Task3 的优先级为 3。FreeRTOS 操作系统是设置的数值越小任务优先级越低，故 Task3 的优先级最高，Task1 的优先级最低。
  

3.4 时间片调度器

• 最常用的的时间片调度算法就是 Round-robin调度算法，
• 时间片调度适合用于不要求任务实时响应的情况。
• 只有同优先级任务才会使用时间片调度
• 使能#define configUSE_TIME_SLICING 1

说明：

• 创建 4 个同优先级任务 Task1，Task2，Task3 和 Task4。
• 每个任务分配的时间片大小是 5 个系统时钟节拍。
• 任务 Task3 在运行期间调用了阻塞式 API 函数，调用函数时，虽然 5 个系统时钟节拍的时间片大小还没有用完，此时依然会通过时间片调度切换到下一个任务 Task4。
• 任务 Task4 运行够 5 个系统时钟节拍后，通过时间片调度切换到任务 Task1。

Tips：注意，没有用完的时间片不会再使用，下次任务 Task3 得到执行还是按照 5 个系统时钟节拍运行。

参考：

1. https://blog.openpilot.cc/archives/3142
2. https://blog.csdn.net/nanjoh/article/details/94395765