FreeRTOS多核支持

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簡介

1. 多核支持概述

在傳統的單核系統中，FreeRTOS 通常運行在一個 CPU 核心上，負責任務調度、中斷處理和資源管理。然而，在多核系統中，多個核心可以并行執行不同的任務或線程，從而提升系統的性能和響應能力。

2. 多核支持方式

共享內存模型：多個核心共享同一塊內存，通過鎖機制協調訪問。分布式模型：每個核心獨立運行一個 FreeRTOS 實例，各自維護自己的任務隊列和資源。

3. FreeRTOS典型應用場景

分布式計算任務：

每個核心運行獨立的任務，分別處理不同的計算任務。通過隊列或信號量協調任務之間的數據交換。
實時任務與非實時任務分離：

將實時任務分配給一個核心，非實時任務分配給另一個核心。使用互斥鎖或信號量保證任務間的同步。
多核協同處理：

多個核心協同完成復雜任務（如圖像處理、網絡通信等）。通過共享內存或消息隊列進行數據傳輸。

FreeRTOS多核架構

1. 單核與多核系統的區別

特性	單核系統	多核系統
運行環境	一個 CPU 核心	多個 CPU 核心
任務調度	搶占式或時間片輪轉	可以分配到不同核心
資源管理	單一核心管理	需要協調多個核心
通信與同步	簡單	更加復雜
性能與效率	適合小規模應用	更高并發和性能
開發與調試	相對簡單	更加復雜

2. FreeRTOS多核支持的實現方式

在 FreeRTOS 中，多核支持主要分為以下兩種架構類型：

架構類型	描述
SMP（對稱多處理）	所有核心共享相同的內存和資源，由同一個 FreeRTOS 內核管理。
AMP（異步多處理）	每個核心運行獨立的 FreeRTOS 實例，彼此之間通過通信機制進行交互

FreeRTOS 支持多種多核平臺，包括但不限于：

ARM Cortex-M7/M4/M3：支持 SMP 和 AMP 模式。

RISC-V：支持多核架構。

Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC：支持多核 FreeRTOS 配置。

TI AM335x 系列：支持多核 FreeRTOS 應用。

3. 多核任務調度機制

FreeRTOS 的任務調度是基于優先級的搶占式調度。在多核環境中，調度機制如下：
- 本地調度：每個核心維護自己的就緒任務列表，并根據優先級進行調度。
- 任務遷移：某些版本支持任務在不同核心之間遷移，以平衡負載。
- 中斷處理：中斷可以在任意核心上處理，但需要確保中斷服務程序（ISR）的可重入性和同步。

多核支持的關鍵技術

1. 互斥鎖（Mutex）

在多核環境中，多個核心可能會同時訪問共享資源。為了防止競態條件，FreeRTOS 提供了互斥鎖（xSemaphoreCreateMutex()）來確保同一時間只有一個核心可以訪問共享資源。
```
SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex();void vTaskFunction(void *pvParameters) {if (xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 訪問共享資源xSemaphoreGive(xMutex);}
}
```

2. 信號量（Semaphore）

信號量用于控制對共享資源的訪問或任務之間的同步。FreeRTOS 提供了二值信號量（Binary Semaphore）、計數信號量（Counting Semaphore）和遞歸信號量（Recursive Semaphore）。

SemaphoreHandle_t xBinarySemaphore = xSemaphoreCreateBinary();void vTaskFunction(void *pvParameters) {if (xSemaphoreTake(xBinarySemaphore, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {// 任務執行邏輯xSemaphoreGive(xBinarySemaphore);}
}

3. 隊列（Queue）

隊列是 FreeRTOS 中任務間通信的核心機制之一。在多核系統中，可以通過隊列傳遞數據或事件，實現跨核通信。

QueueHandle_t xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(int));void vTaskFunction(void *pvParameters) {int data = 42;xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY);
}

4. 任務調度器（Scheduler）

在多核系統中，FreeRTOS 可以配置為在多個核心上運行獨立的調度器。每個核心的任務調度器獨立運行，但可以通過共享資源進行協調。
```
// 啟動任務調度器（適用于多核）
vTaskStartScheduler();
```

FreeRTOS多核配置（以ARM Cortex-M7為例）

1. 硬件支持：確保使用的微控制器支持多核架構（如雙核Cortex-M7）。

2. 內核配置：

啟用configMULTI_CORE選項。
設置configNUM_CORES為實際的核數。
任務創建：
使用xTaskCreatePinnedToCore()函數將任務綁定到特定的核心。
資源同步：
使用xSemaphoreCreateBinary()或xQueueCreate()等機制進行任務間的通信。
中斷配置：
將關鍵中斷綁定到特定的核心，避免搶占問題。

3. 示例代碼

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
void vTaskFunction(void *pvParameters) {while (1) {// 任務邏輯vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
}
int main(void) {xTaskCreatePinnedToCore(vTaskFunction, "Task1", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL, 0);xTaskCreatePinnedToCore(vTaskFunction, "Task2", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL, 1);vTaskStartScheduler();for (;;);
}

多核任務調度

1. 任務分配策略

在多核系統中，合理的任務分配策略能夠提升系統的性能和穩定性。常見的任務分配策略包括：

靜態分配（Static Allocation）

任務在啟動時就被分配到特定的核心。適用于對實時性要求高且任務數量固定的場景。

優點：可預測性強，減少任務遷移開銷。

缺點：靈活性差，難以適應動態負載變化。
動態分配（Dynamic Allocation）

任務根據當前核心的負載情況動態分配。適用于負載不穩定的場景。

優點：提高資源利用率，優化系統性能。

缺點：可能增加任務遷移的開銷。
基于優先級的分配（Priority-Based Allocation）

高優先級任務優先分配到空閑的核心。適用于對響應時間敏感的應用。

優點：保證關鍵任務的實時性。

缺點：可能導致低優先級任務長時間得不到執行。
基于負載的分配（Load-Balanced Allocation）

根據每個核心的負載情況動態分配任務。適用于多核系統中負載不均的場景。

優點：平衡各核心負載，提高整體性能。

缺點：需要額外的負載監控機制。

2. 負載均衡

目標:負載均衡的目標是將任務均勻地分配到各個核心上，避免某些核心過載而其他核心空閑，從而提高系統吞吐量和響應速度。
實現方式
動態任務遷移：根據各核心的負載情況，自動將任務遷移到較為空閑的核心上運行。

任務優先級調整：通過調整任務優先級，確保高優先級任務能夠及時得到處理。

負載監控：定期檢查各核心的負載狀態，為調度決策提供依據。

3. 任務優先級與搶占

任務優先級

在 FreeRTOS 中，每個任務都有一個優先級值，用于決定其調度順序。優先級越高，任務越有可能被調度執行。
優先級范圍
通常為 0 到 (configMAX_PRIORITIES - 1)；0 表示最低優先級，configMAX_PRIORITIES - 1 表示最高優先級。
優先級設置
```
xTaskCreate(vTaskFunction,        // 任務函數"TaskName",           // 任務名稱STACK_SIZE,           // 堆棧大小NULL,                 // 任務參數tskIDLE_PRIORITY + 1, // 任務優先級&xTaskHandle          // 任務句柄
);
```
搶占機制

reeRTOS 支持搶占式調度，即高優先級任務可以中斷低優先級任務的執行。

搶占規則

當高優先級任務就緒時，它會立即搶占當前正在運行的低優先級任務。搶占行為僅在任務處于“就緒狀態”時發生。

搶占模式

完全搶占：高優先級任務可以隨時搶占低優先級任務。

部分搶占：某些情況下，搶占可能受限（如任務處于臨界區）。

在多核環境中，任務的優先級和搶占行為仍然遵循上述規則，但可能會受到以下因素影響：
```
  任務綁定：如果任務綁定到特定核心，則優先級和搶占僅在該核心內生效。核心間通信：跨核心的任務交互需要考慮同步機制，例如使用隊列、信號量等。
```

4. 多核任務同步機制

同步機制	描述
互斥鎖（Mutex）	用于保護共享資源，確保同一時間只有一個任務可以訪問資源。
信號量（Semaphore）	用于任務之間的通信，控制對共享資源的訪問。
隊列（Queue）	用于任務之間傳遞數據或事件信息。
事件組（Event Group）	用于任務之間傳遞多個事件的狀態信息。
任務通知（Task Notification）	一種輕量級的通信方式，用于任務之間的直接通知。

多核通信與同步

1. 消息隊列與信號量

消息隊列是一種用于任務間或中斷服務程序與任務之間傳遞數據的機制。它支持先進先出（FIFO）或后進先出（LIFO）的數據傳輸方式。

QueueHandle_t xQueue;// 創建消息隊列
xQueue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));// 發送消息
uint32_t data = 0x1234;
xQueueSend(xQueue, &data, portMAX_DELAY);// 接收消息
uint32_t receivedData;
xQueueReceive(xQueue, &receivedData, portMAX_DELAY);

信號量是一種用于控制對共享資源訪問的同步機制。它可以用來實現任務間的同步、互斥訪問等。

// 創建二值信號量
SemaphoreHandle_t xSemaphore = xSemaphoreCreateBinary();// 獲取信號量（阻塞等待）
xSemaphoreTake(xSemaphore, portMAX_DELAY);// 釋放信號量
xSemaphoreGive(xSemaphore);

2. 共享內存與互斥鎖

共享內存是一種允許多個任務或核心訪問同一塊內存區域的機制。在 FreeRTOS 中，通常通過以下方式實現共享內存：

使用全局變量或靜態變量。

使用 Heap 區域分配的動態內存（如 pvPortMalloc()）。

使用特定的內存映射機制（依賴于硬件平臺）。

互斥鎖是一種用于保護共享資源的同步機制，確保在同一時間只有一個任務可以訪問受保護的代碼段。

SemaphoreHandle_t xMutex = xSemaphoreCreateMutex();void TaskA(void *pvParameters) {while (1) {xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY); // 獲取互斥鎖// 訪問共享內存xSemaphoreGive(xMutex); // 釋放互斥鎖}
}void TaskB(void *pvParameters) {while (1) {xSemaphoreTake(xMutex, portMAX_DELAY); // 獲取互斥鎖// 訪問共享內存xSemaphoreGive(xMutex); // 釋放互斥鎖}
}

3. 事件組與標志位

事件組是 FreeRTOS 中一種用于任務間通信和同步的機制，主要用于任務等待多個事件的發生，或者通知其他任務某個事件已經發生。

// 定義事件組
EventGroupHandle_t xEventGroup;// 初始化事件組
xEventGroup = xEventGroupCreate();// 任務 A：等待事件
void vTaskA(void *pvParameters)
{EventBits_t uxBits;// 等待事件 0x01 和 0x02 同時發生uxBits = xEventGroupWaitBits(xEventGroup, 0x03, pdTRUE, pdTRUE, portMAX_DELAY);if ((uxBits & 0x01) && (uxBits & 0x02)){// 所有事件已觸發}
}// 任務 B：設置事件
void vTaskB(void *pvParameters)
{// 設置事件 0x01xEventGroupSetBits(xEventGroup, 0x01);// 設置事件 0x02xEventGroupSetBits(xEventGroup, 0x02);
}

標志位是事件組的一個子集，通常用于表示簡單的狀態變化。它比事件組更輕量，適合用于單個狀態的標記。

// 定義標志位
volatile uint32_t ulFlag = 0;// 任務 A：等待標志位
void vTaskA(void *pvParameters)
{while (1){if (ulFlag & 0x01){// 標志位 0x01 被設置ulFlag &= ~0x01; // 清除標志位}vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(100));}
}// 任務 B：設置標志位
void vTaskB(void *pvParameters)
{while (1){// 設置標志位 0x01ulFlag |= 0x01;vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));}
}

4. 多核中斷處理

在 FreeRTOS 中支持多核系統（如基于多核處理器的嵌入式設備），多核之間的通信和同步是實現任務協調的關鍵。

// 將任務綁定到核心
void vTaskFunction(void *pvParameters) {while (1) {// 任務邏輯}
}// 創建任務并綁定到核心
xTaskCreatePinnedToCore(vTaskFunction, "Task", 2048, NULL, 1, NULL, 1);// 設置中斷處理函數
void vMyInterruptHandler(void) {// 中斷處理邏輯xTaskGenerateSoftwareInterrupt(0); // 觸發任務
}

結論

FreeRTOS多核支持的優勢

提高系統性能

多核架構允許同時執行多個任務，從而提升系統的整體性能。FreeRTOS 支持將任務分配到不同的核心上運行，充分利用多核處理器的計算能力。
增強實時性

在多核系統中，關鍵任務可以被分配到特定的核心上運行，避免因其他任務的干擾而影響實時響應。這有助于實現更精確的時序控制和更低的延遲。
任務隔離與安全性

多核支持使得不同任務可以在獨立的內核上運行，減少任務之間的相互干擾。提高了系統的穩定性和安全性，尤其適用于需要高可靠性的應用。
靈活的任務調度

FreeRTOS 支持多種任務調度策略，并可根據多核架構進行優化。用戶可以根據需求選擇適合的調度方式，以適應不同的應用場景。
簡化開發與維護

使用多核 FreeRTOS 可以通過模塊化設計，將功能拆分到不同的核心上，便于開發和維護。開發者可以專注于各自核心上的功能實現，降低整體復雜度。
兼容現有生態

FreeRTOS 的多核支持與現有的 API 和工具鏈保持兼容，開發者無需重寫大量代碼即可利用多核優勢。