FreeRTOS系统延时函数分析

   一、概述

       FreeRTOS提供了两个系统延时函数，相对延时函数vTaskDelay()和绝对延时函数vTaskDelayUntil()。相对延时是指每次延时都是从任务执行函数vTaskDelay()开始，延时指定的时间结束，绝对延时是指每隔指定的时间，执行一次调用vTaskDealyUntil()函数的任务，换句话说，就是任务以固定的频率执行。

  • 相对延时：指每次延时都是从执行函数vTaskDelay()开始，直到延时指定的时间结束。
  • 绝对延时：指将整个任务的运行周期看作一个整体，适用于需要按照一定频率运行的任务。

  1. 为任务主体，也就是任务真正要做的工作
  2. 是任务函数中调用vTaskDelayUntil（）对任务进行延时
  3. 为其他任务运行

 二、相对延时函数vTaskDelay()

考虑下面的任务，任务A在执行任务主体代码后，调用相对延时函数vTaskDelay()进入阻塞态。系统中除了任务A外，还有其他任务，但是任务A的优先级最高。

void vTaskA( void * pvParameters )  {  /* 阻塞500ms. 注:宏pdMS_TO_TICKS用于将毫秒转成节拍数,FreeRTOS V8.1.0及以上版本才有这个宏,如果使用低版本,可以使用 500 / portTICK_RATE_MS */  const portTickType xDelay = pdMS_TO_TICKS(500);  for( ;; )  {  //  ...//  这里为任务主体代码//  .../* 调用系统延时函数,阻塞500ms */vTaskDelay( xDelay );  }  
}

对于这样一个任务，执行过程的图示如下所示，当任务A获取CPU使用权后，先执行任务A的主体代码，之后调用系统延时函数vTaskDelay()进入阻塞态。任务进入阻塞态后，其他任务得以执行。FreeRTOS内核会周期的检查任务A的阻塞是否达到，在滴答定时中断中进行解除阻塞态，如果阻塞时间达到，则将任务A设置为就绪态，由于任务A的优先级最高，会抢占CPU，再次执行任务主体代码，不断循环。

从图中可以看出，如果执行任务A的过程中发生中断，那么任务A执行的周期就会变长，所以使用相对延时函数vTaskDelay()，不能周期的执行任务A。

 void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay ){BaseType_t xAlreadyYielded = pdFALSE;/*如果延时时间为0，则不会将当前任务加入延时列表. */if( xTicksToDelay > ( TickType_t ) 0U ){configASSERT( uxSchedulerSuspended == 0 );vTaskSuspendAll();{traceTASK_DELAY();/* 将当前任务从就绪列表中移除，并根据当前系统节拍计数器值计算唤醒时间，然后将任务加入延时列表 */prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay, pdFALSE );}xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}/* 强制执行一次上下文切换 */if( xAlreadyYielded == pdFALSE ){portYIELD_WITHIN_API();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}

如上述代码，如果延时大于0，则会将当前任务从就绪列表删除，然后加入到延时列表。是调用函数prvAddCurrentTaskToDelayedList()完成这一过程的，tasks.c中定义了很多局部变量，其中有一个变量xTickCount定义如下所示： 

static volatile TickType_t xTickCount = (TickType_t) 0U;

这个变量用来计数，记录系统节拍中断的次数，它在启动调度器时被清零，在每次系统节拍时钟发生中断之后加1.相对延时函数会使用到这个变量，xTickCount表示了当前的系统节拍中断次数，这个值加上参数规定的延时时间（以系统节拍数表示）xTickToDelay，就是下次唤醒任务的时间，xTickCount + xTicksToDelay会被记录到任务TCB中，随着任务一起被挂接到延时列表。

我们直到变量xTickCount是TickType_t类型的，它会溢出。在32位架构中，当xTicksToDelay达到0xFFFF_FFFF后再增加，就会溢出变成0.为了解决xTickCount溢出问题，FreeRTOS使用了两个延时列表：xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2，并使用两个列表指针类型变量pxDelayedTaskList和pxOverflowDelayedTaskList分别指向上面的延时列表1和延时列表2（在创建任务时将延时列表指针指向延时列表）。顺便说一下，上面的两个延时列表指针变量和两个延时列表变量都是在tasks.c中定义的静态局部变量。

如果内核判断出xTickCount+xTicksToDelay溢出，将当前任务挂在列表指针pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否则就挂接到列表指针pxDelayedTaskList指向的列表中。

每次系统节拍时钟中断，中断服务函数都会检查这两个延时 列表，查看延时的任务是否到期，如果时间到期，则将任务从延时列表中删除，重新加入就绪列表。如果新加入就绪列表的任务优先级大于当前任务，则会触发一次上下文切换(保护现场和恢复现场)。

else{/* Calculate the time at which the task should be woken if the event* does not occur.  This may overflow but this doesn't matter, the* kernel will manage it correctly. */xTimeToWake = xConstTickCount + xTicksToWait;/* The list item will be inserted in wake time order. */listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ), xTimeToWake );if( xTimeToWake < xConstTickCount ){/* Wake time has overflowed.  Place this item in the overflow* list. */vListInsert( pxOverflowDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );}else{/* The wake time has not overflowed, so the current block list* is used. */vListInsert( pxDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );/* If the task entering the blocked state was placed at the* head of the list of blocked tasks then xNextTaskUnblockTime* needs to be updated too. */if( xTimeToWake < xNextTaskUnblockTime ){xNextTaskUnblockTime = xTimeToWake;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}

三、绝对延时函数vTaskDelayUntil() 

考虑下面的任务B，任务B首先调用绝对延时函数vTaskDelayUntil()进入阻塞态，阻塞时间到后，执行任务主体代码，系统中除了任务B外，还有其它任务，但是任务B的优先级最高。

void vTaskB( void * pvParameters )  
{  static portTickType xLastWakeTime;  const portTickType xFrequency = pdMS_TO_TICKS(500);  // 使用当前时间初始化变量xLastWakeTime ,注意这和vTaskDelay()函数不同 xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();  for( ;; )  {  /* 调用系统延时函数,周期性阻塞500ms */        vTaskDelayUntil( &xLastWakeTime,xFrequency );  //  ...//  这里为任务主体代码,周期性执行.注意这和vTaskDelay()函数也不同//  ...}  
}

对于这样一个任务，执行过程如下图所示，当任务B获取CPU使用权后，先调用系统延时函数vTaskDelayUntil()使任务进入阻塞态。任务B进入阻塞态后，其他任务得以执行，FreeRTOS内核会周期性的检查任务A的阻塞是否达到，如果阻塞时间达到，则将任务A设置为就绪态，由于任务B的优先级最高，会抢占CPU，接下来执行任务主体代码。任务主体代码执行完毕后，会继续调用系统延时函数vTaskDelayUntil()使任务进入阻塞态，周而复始。

从图可以看出，从调用函数vTaskDelayUntil()开始，每隔固定周期，任务B的主体代码就会执行一次，即使任务B在执行过程中发生中断，也不会影响这个周期性，只是会缩短其他任务的执行时间，所以这个函数被称之为绝对延时函数，它可以用于周期性的执行任务A的主体代码。

 函数vTaskDelayUntil()是如何做到周期性的呢，看下面源码：

BaseType_t xTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,const TickType_t xTimeIncrement ){TickType_t xTimeToWake;BaseType_t xAlreadyYielded, xShouldDelay = pdFALSE;configASSERT( pxPreviousWakeTime );configASSERT( ( xTimeIncrement > 0U ) );configASSERT( uxSchedulerSuspended == 0 );vTaskSuspendAll();{/* 保存系统节拍中断次数计数器 */const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;/* 计算任务下次话u女性时间（以系统节拍中断次数表示）. */xTimeToWake = *pxPreviousWakeTime + xTimeIncrement;/* pxPreviousWakeTime中保存的是上次唤醒时间，唤醒后需要一定时间执行任务主体代码，如果上次唤醒时间大于当前时间，说明节拍计数器溢出了*/if( xConstTickCount < *pxPreviousWakeTime ){/*只有当周期性延时时间大于任务主体大妈执行时间，才会将任务挂接到延时列表*/if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) && ( xTimeToWake > xConstTickCount ) ){xShouldDelay = pdTRUE;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}else{/* 也都是保证周期性延时时间大于任务主体代码执行时间*/if( ( xTimeToWake < *pxPreviousWakeTime ) || ( xTimeToWake > xConstTickCount ) ){xShouldDelay = pdTRUE;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}/* 更新唤醒时间，为下一次调用本函数做准备 */*pxPreviousWakeTime = xTimeToWake;if( xShouldDelay != pdFALSE ){traceTASK_DELAY_UNTIL( xTimeToWake );/* 将本任务加入延时列表，注意阻塞时间并不是以当前时间为参考，因此减去了当前系统节拍中断计数器数值*/prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTimeToWake - xConstTickCount, pdFALSE );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}xAlreadyYielded = xTaskResumeAll();/* 强制执行一次上下文切换 */if( xAlreadyYielded == pdFALSE ){portYIELD_WITHIN_API();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}return xShouldDelay;}

与相对延时函数vTaskDelay不同，本函数增加了一个参数pxPreviousWakeTime用于指向一个变量，变量保存上次任务解除阻塞时间。这个变量在任务开始时必须被设置成当前系统节拍中断次数，此后函数vTaskDelayUntil()在内部自动更新这个变量。

由于变量xTickCount可能会溢出，所以程序必须检查各种溢出情况，并且要保证延时周期不得小于任务主体代码执行时间。这很好理解，就是不可能出现每5ms执行一个需要20ms才能完成的任务。

如果我们以横坐标表示变量xTickCount的范围，则横坐标左端为0，右端为变量xTickCount所能表示的最大值，在上图所示的三种情况下，才可以将任务加入延时列表。如上图，*pxPreviousWakeTime和xTimeToWake之间表示任务周期性延时时间，*pxPreviousWakeTime和xConstTickCount之间表示任务B主体代码执行时间。

图中第一种情况处理系统节拍中断计数器（xConstTickCount）和唤醒时间计数器（xTimeToWake）溢出情况；第二种情况处理唤醒时间计数器（xTimeToWake）溢出情况；第三种情况处理常规无溢出的情况。从图中可以看出，不管是溢出还是无溢出，都要求在下次唤醒任务之前，当前任务主体代码必须被执行完。表现在图中，就是变量xTimeToWake总是大于变量xConstTickCount（每溢出一次的话相当于加上一次最大值Max）。

计算的唤醒时间合法后，就将当前任务加入延时列表，同样延时列表也有两个。每次系统节拍中断，中断服务函数都会检查这两个延时列表，查看延时的任务是否到期，如果时间到期，则将任务从延时列表中删除，重新加入就绪列表。如果新加入就绪列表的任务优先级大于当前任务，则会触发一次上下文切换。

四、总结

       调用系统延时的任务都是最高优先级，这是为了便于分析而特意为之的，实际上的任务可不一定能设置为最高优先级。对于相对延时，如果任务不是最高优先级，则任务执行周期更不可测，这个问题不大，我们本来也不会使用它作为精确延时；对于绝对延时函数，如果任务不是最高优先级，则仍然能周期性的将任务解除阻塞，但是解除阻塞的任务不一定能获得CPU权限，因此任务主体代码也不会总是精确周期性执行。

如果要想精确周期性执行某个任务，可以使用系统节拍钩子函数vApplicationTickHook()，它在系统节拍中断服务函数中被调用，因此这个函数中的代码必须简洁。

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