在《FreeRTOS系列第11篇---FreeRTOS任務控制》一文中，已經介紹了這兩個API函數的原型和用法，本文將分析這兩個函數的實現原理。
1. 相對延時函數vTaskDelay()
考慮下面的任務，任務A在執行任務主體代碼後，調用相對延時函數vTaskDelay()進入阻塞狀態。系統中除了任務A外，還有其它任務，但是任務A的優先級最高。void vTaskA( void * pvParameters )
{
/* 阻塞500ms. 註:宏pdMS_TO_TICKS用於將毫秒轉成節拍數,FreeRTOS V8.1.0及
以上版本才有這個宏,如果使用低版本,可以使用 500 / portTICK_RATE_MS */
const portTickType xDelay = pdMS_TO_TICKS(500);
for( ;; )
{
// ...
// 這裏為任務主體代碼
// ...
/* 調用系統延時函數,阻塞500ms */
vTaskDelay( xDelay );
}
} 對於這樣一個任務，執行過程如圖1-1所示。當任務A獲取CPU使用權後，先執行任務A的主體代碼，之後調用系統延時函數vTaskDelay()進入阻塞狀態。任務A進入阻塞後，其它任務得以執行。FreeRTOS內核會周期性的檢查任務A的阻塞是否達到，如果阻塞時間達到，則將任務A設置為就緒狀態。由於任務A的優先級最高，會搶占CPU，再次執行任務主體代碼，不斷循環。從圖1-1可以看出，任務A每次延時都是從調用延時函數vTaskDelay()開始算起的，延時是相對於這一時刻開始的，所以叫做相對延時函數。
從圖1-1還可以看出，如果執行任務A的過程中發生中斷，那麽任務A執行的周期就會變長，所以使用相對延時函數vTaskDelay()，不能周期性的執行任務A。
圖1-1:相對延時函數執行示意圖 我們來看一下源碼。void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
BaseType_t xAlreadyYielded = pdFALSE;
/* 如果延時時間為0,則不會將當前任務加入延時列表 */
if( xTicksToDelay > ( TickType_t ) 0U )
{
vTaskSuspendAll();
{
/* 將當前任務從就緒列表中移除,並根據當前系統節拍計數器值計算喚醒時間,然後將任務加入延時列表 */
prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay, pdFALSE );
}
xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();
}
/* 強制執行一次上下文切換*/
if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
{
portYIELD_WITHIN_API();
}
} 如果延時大於0，則會將當前任務從就緒列表刪除，然後加入到延時列表。是調用函數prvAddCurrentTaskToDelayedList()完成這一過程的。我們在前面一系列博文中多次提到，tasks.c中定義了很多局部靜態變量，其中有一個變量xTickCount定義如下所示：static volatile TickType_t xTickCount = ( TickType_t ) 0U;這個變量用來計數，記錄系統節拍中斷的次數，它在啟動調度器時被清零，在每次系統節拍時鐘發生中斷後加1。相對延時函數會使用到這個變量，xTickCount表示了當前的系統節拍中斷次數，這個值加上參數規定的延時時間（以系統節拍數表示）xTicksToDelay，就是下次喚醒任務的時間，xTickCount+ xTicksToDelay會被記錄到任務TCB中，隨著任務一起被掛接到延時列表。
我們知道變量xTickCount是TickType_t類型的，它也會溢出。在32位架構中，當xTicksToDelay達到4294967295後再增加，就會溢出變成0。為了解決xTickCount溢出問題，FreeRTOS使用了兩個延時列表：xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2，並使用兩個列表指針類型變量pxDelayedTaskList和pxOverflowDelayedTaskList分別指向上面的延時列表1和延時列表2（在創建任務時將延時列表指針指向延時列表）。順便說一下，上面的兩個延時列表指針變量和兩個延時列表變量都是在tasks.c中定義的靜態局部變量。
如果內核判斷出xTickCount+ xTicksToDelay溢出，就將當前任務掛接到列表指針pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。
每次系統節拍時鐘中斷，中斷服務函數都會檢查這兩個延時列表，查看延時的任務是否到期，如果時間到期，則將任務從延時列表中刪除，重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務優先級大於當前任務，則會觸發一次上下文切換。
2. 絕對延時函數vTaskDelayUntil()
考慮下面的任務，任務B首先調用絕對延時函數vTaskDelayUntil ()進入阻塞狀態，阻塞時間到達後，執行任務主體代碼。系統中除了任務B外，還有其它任務，但是任務B的優先級最高。void vTaskB( void * pvParameters )
{
static portTickType xLastWakeTime;
const portTickType xFrequency = pdMS_TO_TICKS(500);
// 使用當前時間初始化變量xLastWakeTime ,註意這和vTaskDelay()函數不同
xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
for( ;; )
{
/* 調用系統延時函數,周期性阻塞500ms */
vTaskDelayUntil( &xLastWakeTime,xFrequency );
// ...
// 這裏為任務主體代碼,周期性執行.註意這和vTaskDelay()函數也不同
// ...
}
} 對於這樣一個任務，執行過程如圖2-1所示。當任務B獲取CPU使用權後，先調用系統延時函數vTaskDelayUntil()使任務進入阻塞狀態。任務B進入阻塞後，其它任務得以執行。FreeRTOS內核會周期性的檢查任務A的阻塞是否達到，如果阻塞時間達到，則將任務A設置為就緒狀態。由於任務B的優先級最高，會搶占CPU，接下來執行任務主體代碼。任務主體代碼執行完畢後，會繼續調用系統延時函數vTaskDelayUntil()使任務進入阻塞狀態，周而復始。從圖2-1可以看出，從調用函數vTaskDelayUntil()開始，每隔固定+
-周期，任務B的主體代碼就會被執行一次，即使任務B在執行過程中發生中斷，也不會影響這個周期性，只是會縮短其它任務的執行時間！所以這個函數被稱為絕對延時函數，它可以用於周期性的執行任務A的主體代碼。
圖2-1：絕對延時函數執行示意圖 函數vTaskDelayUntil()是如何做到周期性的呢，我們來看一下源碼。void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement )
{
TickType_t xTimeToWake;
BaseType_t xAlreadyYielded, xShouldDelay = pdFALSE;
vTaskSuspendAll();
{
/* 保存系統節拍中斷次數計數器 */
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;
/* 計算任務下次喚醒時間(以系統節拍中斷次數表示) */
xTimeToWake = *pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement;
/* *pxPreviousWakeTime中保存的是上次喚醒時間,喚醒後需要一定時間執行任務主體代碼,如果上次喚醒時間大於當前時間,說明節拍計數器溢出了 */
if( xConstTickCount < *pxPreviousWakeTime )
{
/*只有當周期性延時時間大於任務主體代碼執行時間,才會將任務掛接到延時列表.*/
if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) && ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )
{
xShouldDelay = pdTRUE;
}
}
else
{
/* 也都是保證周期性延時時間大於任務主體代碼執行時間 */
if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) || ( xTimeToWake > xConstTickCount ) )
{
xShouldDelay = pdTRUE;
}
}
/* 更新喚醒時間,為下一次調用本函數做準備. */
*pxPreviousWakeTime = xTimeToWake;
if( xShouldDelay != pdFALSE )
{
/* 將本任務加入延時列表,註意阻塞時間並不是以當前時間為參考,因此減去了當前系統節拍中斷計數器值*/
prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTimeToWake - xConstTickCount, pdFALSE );
}
}
xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();
/* 強制執行一次上下文切換 */
if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
{
portYIELD_WITHIN_API();
}
} 與相對延時函數vTaskDelay不同，本函數增加了一個參數pxPreviousWakeTime用於指向一個變量，變量保存上次任務解除阻塞的時間。這個變量在任務開始時必須被設置成當前系統節拍中斷次數（見上文的任務B舉例），此後函數vTaskDelayUntil()在內部自動更新這個變量。由於變量xTickCount可能會溢出，所以程序必須檢測各種溢出情況，並且要保證延時周期不得小於任務主體代碼執行時間。這很好理解，不可能出現每5毫秒執行一個需要20毫秒才能執行完的任務。
如果我們以橫坐標表示變量xTickCount的範圍，則橫坐標左端為0，右端為變量xTickCount所能表示的最大值。在如圖2-2所示的三種情況下，才可以將任務加入延時列表。圖2-2中，*pxPreviousWakeTime和xTimeToWake之間表示任務周期性延時時間，*pxPreviousWakeTime和xConstTickCount之間表示任務B主體代碼執行時間。
圖2-2中第一種情況處理系統節拍中斷計數器（xConstTickCount）和喚醒時間計數器（xTimeToWake）溢出情況；第二種情況處理喚醒時間計數器（xTimeToWake）溢出情況；第三種情況處理常規無溢出的情況。從圖中可以看出，不管是溢出還是無溢出，都要求在下次喚醒任務之前，當前任務主體代碼必須被執行完。表現在圖2-2中，就是變量xTimeToWake總是大於變量xConstTickCount（每溢出一次的話相當於加上一次最大值Max）。
圖2-2：將任務加入延時列表的三種情況 計算的喚醒時間合法後，就將當前任務加入延時列表，同樣延時列表也有兩個。每次系統節拍中斷，中斷服務函數都會檢查這兩個延時列表，查看延時的任務是否到期，如果時間到期，則將任務從延時列表中刪除，重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務優先級大於當前任務，則會觸發一次上下文切換。3.小結
上面的例子中，調用系統延時的任務都是最高優先級，這是為了便於分析而特意為之的，實際上的任務可不一定能設置為最高優先級。對於相對延時，如果任務不是最高優先級，則任務執行周期更不可測，這個問題不大，我們本來也不會使用它作為精確延時；對於絕對延時函數，如果任務不是最高優先級，則仍然能周期性的將任務解除阻塞，但是解除阻塞的任務不一定能獲得CPU權限，因此任務主體代碼也不會總是精確周期性執行。如果要想精確周期性執行某個任務，可以使用系統節拍鉤子函數vApplicationTickHook()，它在系統節拍中斷服務函數中被調用，因此這個函數中的代碼必須簡潔。
Tags: 使用權 優先級 周期性
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