1. FreeRTOS 調度機制概述
FreeRTOS 是一個實時操作系統（RTOS），其核心功能是通過?調度器（Scheduler）?管理多個任務的執行。調度機制決定了?何時切換任務?以及?如何選擇下一個運行的任務，以滿足實時性、優先級和資源共享的需求。以下是 FreeRTOS 調度機制的全面解析：
1.1.調度器的基本工作原理
FreeRTOS 調度器的主要職責是：
任務切換（Context Switching）：保存當前任務的上下文（寄存器、棧等），并恢復下一個任務的上下文。
任務選擇：根據任務狀態（就緒、阻塞、掛起）和優先級，決定下一個運行的任務。
事件響應：處理中斷、信號量、隊列等事件觸發的任務狀態變化。
調度觸發條件
主動讓出 CPU：任務調用?
taskYIELD()?或阻塞（如?vTaskDelay()、xQueueReceive()）。系統心跳（Tick 中斷）：
SysTick?或定時器中斷觸發調度檢查。中斷服務程序（ISR）：某些中斷（如?
PendSV）強制觸發任務切換。
1.2?調度策略
FreeRTOS 支持兩種主要調度策略：
(1) 搶占式調度（Preemptive Scheduling）
默認模式，高優先級任務可搶占低優先級任務。
特點：
高優先級任務就緒時，立即獲得 CPU。
適用于硬實時系統（如電機控制、傳感器采集）。
void vHighPriorityTask(void *pvParams) {while (1) {printf("High Priority Task Running!\n");vTaskDelay(100); // 短暫阻塞，讓出 CPU}
}void vLowPriorityTask(void *pvParams) {while (1) {printf("Low Priority Task Running...\n");vTaskDelay(1000); // 長時間阻塞}
}?結果：vHighPriorityTask?會頻繁搶占?vLowPriorityTask。
(2) 協作式調度（Cooperative Scheduling）
需手動調用?
taskYIELD()?讓出 CPU，無搶占。特點：
任務必須主動放棄 CPU，否則一直運行。
適用于簡單系統，但實時性較差。
1.3 任務狀態與調度
FreeRTOS 任務可能處于以下狀態：
| 狀態 | 描述 |
|---|---|
| 就緒（Ready） | 任務準備就緒，等待調度器分配 CPU。 |
| 運行（Running） | 當前正在執行的任務（單核 CPU 同一時間只有一個）。 |
| 阻塞（Blocked） | 任務因等待事件（如延時、信號量、隊列）而暫停，不占用 CPU。 |
| 掛起（Suspended） | 任務被顯式掛起（vTaskSuspend()），不參與調度，需手動恢復（vTaskResume()）。 |
調度器選擇任務的規則：
優先選擇?最高優先級的就緒任務。
同優先級任務按?時間片輪轉（Round-Robin）?分配 CPU（需啟用?
configUSE_TIME_SLICING）。
1.4 調度器實現細節
(1) 任務切換的底層機制
PendSV 中斷：
FreeRTOS 使用?PendSV（可掛起的系統調用）進行任務切換，確保切換過程?原子化，避免在中斷中直接切換導致嵌套問題。上下文保存與恢復：
硬件自動保存部分寄存器（
R0-R3,?R12,?LR,?PC,?xPSR）。軟件手動保存剩余寄存器（
R4-R11）。
任務切換流程：
觸發?
PendSV?中斷。保存當前任務的寄存器到其棧中。
調用?
vTaskSwitchContext()?選擇新任務。從新任務的棧恢復寄存器。
返回新任務繼續執行。
(2) 調度器啟動
調用?vTaskStartScheduler()?后：
創建?空閑任務（Idle Task）（優先級 0，用于清理資源）。
初始化系統心跳（
SysTick?定時器）。開始調度第一個任務。
2?FreeRTOS 中的 Tick 中斷詳解
Tick 中斷（系統心跳中斷）是 FreeRTOS 調度和任務管理的核心機制，它通過周期性中斷為系統提供時間基準，驅動任務調度、延時管理和超時檢測。以下是 Tick 中斷的全面解析：
2.1 Tick 中斷的作用
(1) 核心功能
提供系統時間基準：
維護全局時鐘計數器?xTickCount，記錄系統啟動后的 Tick 次數（1 Tick =?configTICK_RATE_HZ?分之一秒）。任務延時管理：
檢查阻塞任務的超時時間（如?vTaskDelay()），喚醒到期任務。調度觸發：
在搶占式調度模式下，每個 Tick 中斷會檢查是否需要切換任務（如同優先級任務時間片輪轉）。軟件定時器：
驅動 FreeRTOS 的軟件定時器（xTimer）回調。
(2) 典型應用場景
周期性任務（如每 100ms 采集一次傳感器數據）。
超時控制（如等待信號量時設置超時時間）。
低功耗模式（Tickless 模式下動態調整中斷間隔）。
2.2 Tick 中斷的硬件實現
(1) 硬件依賴
定時器選擇：通常使用 MCU 的?
SysTick?定時器（Cortex-M 內核內置），也可用通用定時器（如 TIMx）。中斷頻率：由?
configTICK_RATE_HZ?定義（通常 100Hz~1kHz）。
示例配置（FreeRTOSConfig.h）：c
復制
下載
#define configTICK_RATE_HZ 1000 // 1kHz Tick，每1ms中斷一次
(2) 初始化流程
FreeRTOS 啟動時（vTaskStartScheduler()）會初始化 Tick 中斷：
配置定時器周期（如?
SysTick_Config(SystemCoreClock / configTICK_RATE_HZ)）。設置中斷優先級（通常為最低優先級，避免影響其他中斷）。
啟用定時器和中斷。
2.3 Tick 中斷的處理流程
(1) 中斷服務程序（ISR）
當 Tick 中斷發生時：
遞增時鐘計數器：
xTickCount++。檢查任務延時列表：
遍歷阻塞任務列表，若有任務延時到期，則將其移至就緒列表。
觸發調度（可選）：
若啟用搶占式調度（
configUSE_PREEMPTION=1），檢查是否需要任務切換。
處理軟件定時器（可選）：
若啟用?
configUSE_TIMERS=1，檢查定時器回調。
(2) 關鍵代碼（Cortex-M 示例）
void SysTick_Handler(void) {// 1. 進入中斷上下文portENTER_CRITICAL(); // 關中斷（防止嵌套）// 2. 調用 FreeRTOS 的 Tick 處理函數if (xTaskIncrementTick() != pdFALSE) {portYIELD(); // 觸發任務切換（通過 PendSV）}// 3. 退出中斷portEXIT_CRITICAL();
}2.4 Tick 中斷與任務調度
(1) 時間片輪轉（Round-Robin）
同優先級任務共享 CPU：
每個 Tick 中斷會檢查當前任務是否用完時間片（configUSE_TIME_SLICING=1），若用完則切換任務。示例：
兩個同優先級任務?TaskA?和?TaskB?會交替運行（每 1 Tick 切換一次）。
Tick中斷函數的作用：
（1）取出下一個Task
（2）切換：
a.保存當前Task
b.恢復新的Task
(2) 延時與阻塞
vTaskDelay()?的實現：
任務調用?vTaskDelay(ticks)?后，會被移入阻塞列表，直到?xTickCount?遞增到指定值。void vTaskDelay(TickType_t xTicksToDelay) {vTaskSuspendAll(); // 暫停調度器xTickCount += xTicksToDelay;prvAddCurrentTaskToDelayedList(xTicksToDelay);xTaskResumeAll(); // 恢復調度器 }
例如存在以下三個任務，其中任務1和任務2優先級相同，任務3優先級最高。
#include <stdio.h>/* Scheduler includes. */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "queue.h"/* Library includes. */
#include "stm32f10x_it.h"extern void UART_Init(unsigned long ulWantedBaud);/* Demo app includes. */
static void prvSetupHardware( void );static volatile int flagIdleTaskrun = 0; // 空閑任務運行時flagIdleTaskrun=1
static volatile int flagTask1run = 0; // 任務1運行時flagTask1run=1
static volatile int flagTask2run = 0; // 任務2運行時flagTask2run=1
static volatile int flagTask3run = 0; // 任務3運行時flagTask3run=1/*-----------------------------------------------------------*/void vTask1( void *pvParameters )
{/* 任務函數的主體一般都是無限循環 */for( ;; ){flagIdleTaskrun = 0;flagTask1run = 1;flagTask2run = 0;flagTask3run = 0;/* 打印任務的信息 */printf("T1\r\n"); }
}void vTask2( void *pvParameters )
{ /* 任務函數的主體一般都是無限循環 */for( ;; ){flagIdleTaskrun = 0;flagTask1run = 0;flagTask2run = 1;flagTask3run = 0;/* 打印任務的信息 */printf("T2\r\n"); }
}void vTask3( void *pvParameters )
{ const TickType_t xDelay5ms = pdMS_TO_TICKS( 5UL ); /* 任務函數的主體一般都是無限循環 */for( ;; ){flagIdleTaskrun = 0;flagTask1run = 0;flagTask2run = 0;flagTask3run = 1;/* 打印任務的信息 */printf("T3\r\n"); // 如果不休眠的話, 其他任務無法得到執行vTaskDelay( xDelay5ms );}
}void vApplicationIdleHook(void)
{flagIdleTaskrun = 1;flagTask1run = 0;flagTask2run = 0;flagTask3run = 0; /* 故意加入打印讓flagIdleTaskrun變為1的時間維持長一點 *///printf("Id\r\n");
}int main( void )
{prvSetupHardware();xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 0, NULL);xTaskCreate(vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 0, NULL);xTaskCreate(vTask3, "Task 3", 1000, NULL, 2, NULL);/* 啟動調度器 */vTaskStartScheduler();/* 如果程序運行到了這里就表示出錯了, 一般是內存不足 */return 0;
}
/*-----------------------------------------------------------*/static void prvSetupHardware( void )
{/* Start with the clocks in their e如果在任務3中調用vTaskDelay(ticks)，這里設定延遲5ms，運行后可以看到，任務1,2,3是交替運行的，如下圖所示。
如果不調用vTaskDelay(ticks)，因為任務3的優先級最高，任務1和2將無法運行，如下所示：
注：若任務1，任務2和任務3的優先級相同，則這三個任務輪流執行，且是任務3先執行，然后是任務1，最后是任務2執行。?
