转：第17章 FreeRTOS系统时钟节拍和时间管理

17.2 FreeRTOS的时间管理


    时间管理功能是FreeRTOS操作系统里面最基本的功能，同时也是必须要掌握好的。

17.2.1 时间延迟


    FreeRTOS中的时间延迟函数主要有以下两个作用：
1、为周期性执行的任务提供延迟。
2、对于抢占式调度器，让高优先级任务可以通过时间延迟函数释放CPU使用权，从而让低优先级任务可以得到执行。
下面我们通过如下的框图来说明一下延迟函数对任务运行状态的影响，让大家有一个形象的认识。
运行条件：
（1）仅对任务Task1的运行状态做说明。
（2）调度器支持时间片调度和抢占式调度。
运行过程描述如下：
（1）起初任务Task1处于运行态，调用vTaskDelay函数后进入到阻塞状态，也就是blocked状态。
（2）vTaskDelay函数设置的延迟时间到，由于任务Task1不是当前就绪的最高优先级任务，所以不能进入到运行状态，只能进入到就绪状态，也就是ready状态。
（3）一段时间后，调度器发现任务Task1是当前就绪的最高优先级任务，从而任务从就绪态切换到运行态。
（4）由于时间片调度，任务Task1由运行态切换到就绪态。

上面就是一个简单的任务运行状态的切换过程。

17.2.2 FreeRTOS的时间相关函数


    FreeRTOS时间相关的函数主要有以下4个：
（1）vTaskDelay ()
（2）vTaskDelayUntil ()
（3）xTaskGetTickCount()
（4）xTaskGetTickCountFromISR()
下面我们对这4个函数依次进行说明：

17.2.3 函数vTaskDelay


关于这个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：
这里也对此函数进行下介绍。

函数原型：
复制代码
void vTaskDelay(
     const TickType_t xTicksToDelay ); /* 延迟时间长度 */

函数描述：
函数vTaskDelay用于任务的延迟。
（1）参数xTicksToDelay用于设置延迟的时钟节拍个数，范围1- 0xFFFFFFFF。延迟时间的最大值在portmacro.h文件里面有定义：
      typedefuint32_t TickType_t;
      #defineportMAX_DELAY     ( TickType_t )0xffffffffUL
      即延迟时间的范围是：1- 0xFFFFFFFF
使用举例：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: vTaskLED
*    功能说明: LED闪烁
*    形    参: pvParameters 是在创建该任务时传递的形参
*    返 回 值: 无
*   优 先 级: 2
*********************************************************************************************************
*/
static void vTaskLED(void *pvParameters)
{
    while(1)
    {
        bsp_LedToggle(2);
        vTaskDelay(200);
    }
}

17.2.4 函数vTaskDelayUntil


关于这个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：
这里也对此函数进行下介绍。
函数原型：
[url=]复制代码[/url]

• void vTaskDelayUntil( TickType_t *pxPreviousWakeTime,    /* 存储任务上次处于非阻塞状态时刻的变量地址 */
•                       const TickType_t xTimeIncrement ); /* 周期性延迟时间 */
  

函数描述：
函数vTaskDelayUntil用于周期性延迟。
（1）第1个参数，存储任务上次处于非阻塞状态时刻的变量地址。
（2）第2个参数，周期性延迟时间。

使用这个函数要注意以下问题：
1.     使用此函数需要在FreeRTOSConfig.h配置文件中配置如下宏定义为1
       #defineINCLUDE_vTaskDelayUntil     1
2.     用户要注意此函数跟vTaskDelay的区别，本章17.2.7小节详细讲解。
使用举例：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: vTaskLED
*    功能说明: LED闪烁
*    形    参: pvParameters 是在创建该任务时传递的形参
*    返 回 值: 无
*   优 先 级: 2
*********************************************************************************************************
*/
static void vTaskLED(void *pvParameters)
{
     TickType_t xLastWakeTime;
     const TickType_t xFrequency = 200;
     /* 获取当前的系统时间 */
    xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
   
    while(1)
    {
         bsp_LedToggle(2);
         /* vTaskDelayUntil是绝对延迟，vTaskDelay是相对延迟。*/
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
    }
}

，科普好贴。

呵呵呵呵呵呵，，，，，

17.2.5 函数xTaskGetTickCount


关于这个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：
这里也对此函数进行下介绍。
函数原型：
[url=]复制代码[/url]

• volatile TickType_t xTaskGetTickCount( void );
• 
  

17.2.6 函数xTaskGetTickCountFromISR


关于这个函数的讲解及其使用方法可以看FreeRTOS在线版手册：
这里也对此函数进行下介绍。

函数原型：
复制代码
volatile TickType_t xTaskGetTickCountFromISR( void );

函数描述：
函数xTaskGetTickCountFromISR用于获取系统当前运行的时钟节拍数。
使用这个函数要注意以下问题：
1. 此函数用于在中断服务程序里面调用，如果在任务里面调用的话，需要使用函数xTaskGetTickCount，这两个函数切不可混用。
使用举例：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: TIM6_IRQHandler
*    功能说明: TIM6中断服务程序。
*    形    参: 无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void TIM6_IRQHandler( void )
{
     TickType_t xTickCount;
    xTickCount = xTaskGetTickCountFromISR;
}

17.2.7 函数vTaskDelay和vTaskDelayUntil的区别


        函数vTaskDelayUntil实现的是周期性延迟，而函数vTaskDelay实现的是相对性延迟，反映到实际应用上有什么区别呢，下面就给大家举一个简单的例子。
运行条件：
（1）有一个bsp_KeyScan函数，这个函数处理时间大概耗时2ms。
（2）有两个任务，一个任务Task1是用的vTaskDelay延迟，延迟10ms，另一个任务Task2是用的vTaskDelayUntil延迟，延迟10ms。
（3）不考虑任务被抢占而造成的影响。
实际运行过程效果：
Task1：
          bsp_KeyScan+  vTaskDelay(10)      --->   bsp_KeyScan +  vTaskDelay(10)
          |----2ms + 10ms 为一个周期------|               |----2ms + 10ms 为一个周期----|
      这个就是相对性的含义

Task2：
         bsp_KeyScan +  vTaskDelayUntil       ---------> bsp_KeyScan +  vTaskDelayUntil
               |----10ms为一个周期（2ms包含在10ms内）---|     |----10ms为一个周期------|
      这就是周期性的含义。

下面我们通过函数vTaskDelay来实现vTaskDelayUntil，大家会有一个更加全面的认识：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: vTaskMsgPro
*    功能说明: 消息处理，这里是用作LED闪烁  
*    形    参: pvParameters 是在创建该任务时传递的形参
*    返 回 值: 无
*   优 先 级: 3
*********************************************************************************************************
*/
static void vTaskMsgPro(void *pvParameters)
{
     TickType_t xDelay, xNextTime;
     const TickType_t xFrequency = 200;
   
     /* 获取xFrequency个时钟节拍后的时间 */
     xNextTime = xTaskGetTickCount() + xFrequency;
   
    while(1)
    {
         bsp_LedToggle(3);
        
         /* 用vTaskDelay实现vTaskDelayUntil() */
         xDelay = xNextTime - xTaskGetTickCount();
         xNextTime += xFrequency;
        
         if(xDelay <= xFrequency)
         {
              vTaskDelay(xDelay);
         }
     }
}

17.3 实验例程说明



17.3.1 STM32F103开发板实验


配套例子：
    V4-311_FreeRTOS实验_周期性延迟和相对性延迟函数
实验目的：
    1.     学习FreeRTOS的周期性延迟和相对性延迟函数。
    2.     注意相对性延迟函数vTaskDelay和周期性延迟函数vTaskDelayUntil的区别。
实验内容：
    1.     K1按键按下，串口打印任务执行情况（波特率115200，数据位8，奇偶校验位无，停止位1）。
    2.     K2键按下，串口打印系统时钟节拍数。
    3.     各个任务实现的功能如下：
              vTaskUserIF任务   ：按键消息处理。
              vTaskLED任务     ：LED闪烁。
              vTaskMsgPro任务 ：消息处理，这里是用作LED闪烁。
              vTaskStart任务    ：启动任务，也是最高优先级任务，这里实现按键扫描。

FreeRTOS的配置：
    FreeRTOSConfig.h文件中的配置如下：
复制代码
/* Ensure stdint is only used by the compiler, and not the assembler. */
#if defined(__ICCARM__) || defined(__CC_ARM) || defined(__GNUC__)
#include
extern volatile uint32_t ulHighFrequencyTimerTicks;
#endif
#define configUSE_PREEMPTION         1
#define configUSE_IDLE_HOOK          0
#define configUSE_TICK_HOOK          0
#define configCPU_CLOCK_HZ           ( ( unsigned long ) 72000000 )  
#define configTICK_RATE_HZ           ( ( TickType_t ) 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES         ( 5 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE     ( ( unsigned short ) 128 )
#define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
#define configMAX_TASK_NAME_LEN      ( 16 )
#define configUSE_TRACE_FACILITY      1
#define configUSE_16_BIT_TICKS       0
#define configIDLE_SHOULD_YIELD      1
/* Run time and task stats gathering related definitions. */
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS                1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS         1
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()     (ulHighFrequencyTimerTicks = 0ul)
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()             ulHighFrequencyTimerTicks
//#define portALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE           1
/* Co-routine definitions. */
#define configUSE_CO_ROUTINES            0
#define configMAX_CO_ROUTINE_PRIORITIES ( 2 )
/* Set the following definitions to 1 to include the API function, or zero
to exclude the API function. */
#define INCLUDE_vTaskPrioritySet          1
#define INCLUDE_uxTaskPriorityGet         1
#define INCLUDE_vTaskDelete               1
#define INCLUDE_vTaskCleanUpResources      0
#define INCLUDE_vTaskSuspend              1
#define INCLUDE_vTaskDelayUntil           1
#define INCLUDE_vTaskDelay                1
/* Cortex-M specific definitions. */
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
     /* __BVIC_PRIO_BITS will be specified when CMSIS is being used. */
     #define configPRIO_BITS              __NVIC_PRIO_BITS
#else
     #define configPRIO_BITS              4        /* 15 priority levels */
#endif
/* The lowest interrupt priority that can be used in a call to a "set priority"
function. */
#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY              0x0f
/* The highest interrupt priority that can be used by any interrupt service
routine that makes calls to interrupt safe FreeRTOS API functions.  DO NOT CALL
INTERRUPT SAFE FREERTOS API FUNCTIONS FROM ANY INTERRUPT THAT HAS A HIGHER
PRIORITY THAN THIS! (higher priorities are lower numeric values. */
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY         0x01

几个重要选项说明：
1、#define configUSE_PREEMPTION        1
          使能抢占式调度器
2、#define configCPU_CLOCK_HZ     ( ( unsigned long ) 72000000 )   
          系统主频72MHz。
3、#define configTICK_RATE_HZ              ( ( TickType_t ) 1000 )
          系统时钟节拍1KHz，即1ms。
4、#define configMAX_PRIORITIES          ( 5 )
          定义可供用户使用的最大优先级数，如果这个定义的是5，那么用户可以使用的优先级号是0,1,2,3,4，不包含5，对于这一点，初学者要特别的注意。
5、#define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
          定义堆大小，FreeRTOS内核，用户动态内存申请，任务栈等都需要用这个空间。
6、configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY          0x01
          定义受FreeRTOS管理的最高优先级中断。简单的说就是允许用户在这个中断服务程序里面调用FreeRTOS的API的最高优先级。为了进一步说明这个宏定义的的作用，解释如下：
     （1）使用CM内核的MCU，官方强烈建议将NVIC的优先级分组配置为全抢占式优先级，全部配置为抢占式优先级的好处就是方便管理。
     （2）对于STM32来说，设置NVIC的优先级分组为4时，NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4)就是全部配置为抢占式优先级。又因为STM32的优先级设置仅使用CM内核8bit中的高4bit，即只能区分2^4 = 16种优先级。因此当优先级分组设置为4的时候可供用户选择抢占式优先级为0到15，共16个优先级，配置为0表示最高优先级，配置为15表示最低优先级，不存在子优先级。
     （3）这里配置configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY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。

FreeRTOS任务调试信息（按K1按键，串口打印）：
上面截图中打印出来的任务状态字母B, R, D, S对应如下含义：
      #definetskBLOCKED_CHAR          ( 'B' )  任务阻塞
      #definetskREADY_CHAR           ( 'R' ) 任务就绪
      #definetskDELETED_CHAR           ( 'D' )  任务删除
      #definetskSUSPENDED_CHAR   ( 'S' ) 任务挂起

程序设计：
任务栈大小分配：
      vTaskUserIF任务   ：2048字节
      vTaskLED任务     ：2048字节
      vTaskMsgPro任务 ：2048字节
      vTaskStart任务    ：2048字节
      任务栈空间是在任务创建的时候从FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap空间中申请的
      #defineconfigTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t )( 17 * 1024 ) )
系统栈大小分配：

FreeROTS初始化：
复制代码
/*
*********************************************************************************************************
*    函 数 名: main
*    功能说明: 标准c程序入口。
*    形    参：无
*    返 回 值: 无
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
     /*
       在启动调度前，为了防止初始化STM32外设时有中断服务程序执行，这里禁止全局中断(除了NMI和HardFault)。
       这样做的好处是：
       1. 防止执行的中断服务程序中有FreeRTOS的API函数。
       2. 保证系统正常启动，不受别的中断影响。
       3. 关于是否关闭全局中断，大家根据自己的实际情况设置即可。
       在移植文件port.c中的函数prvStartFirstTask中会重新开启全局中断。通过指令cpsie i开启，__set_PRIMASK(1)
       和cpsie i是等效的。
     */
     __set_PRIMASK(1);
   
     /* 硬件初始化 */
     bsp_Init();
   
     /* 1. 初始化一个定时器中断，精度高于滴答定时器中断，这样才可以获得准确的系统信息 仅供调试目的，实际项
           目中不要使用，因为这个功能比较影响系统实时性。
        2. 为了正确获取FreeRTOS的调试信息，可以考虑将上面的关闭中断指令__set_PRIMASK(1); 注释掉。
     */
     vSetupSysInfoTest();
   
     /* 创建任务 */
     AppTaskCreate();
   
    /* 启动调度，开始执行任务 */
    vTaskStartScheduler();
     /*
       如果系统正常启动是不会运行到这里的，运行到这里极有可能是用于定时器任务或者空闲任务的
       heap空间不足造成创建失败，此要加大FreeRTOSConfig.h文件中定义的heap大小：
       #define configTOTAL_HEAP_SIZE        ( ( size_t ) ( 17 * 1024 ) )
     */
     while(1);
}