【freertos】FreeRTOS时间管理

一、睡眠延时函数

1、vTaskDelay

\quad 在UCOSIII 中延时函数OSTimeDly()可以设置为三种模式:相对模式、周期模式和绝对模式。在FreeRTOS中延时函数只有相对模式和绝对模式，在FreeRTOS中不同的模式用的函数不同,其中函数 vTaskDelay()是相对模式(相对延时函数)，函数 vTaskDelayUntil()是绝对模式(绝对延时函数)。函数vTaskDelay()在文件 tasks.c中有定义，要使用此函数的话宏INCLUDE_vTaskDelay必须为1，函数代码如下:

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )

参数：

• xTicksToDelay：要延时的时间节拍数，该数值须大于0。否则直接调用函数portYIELD()进行任务切换。

2、vTaskDelayUntil

\quad 函数 vTaskDelayUntil()会阻塞任务，阻塞时间是一个绝对时间，那些需要按照一定的频率运行的任务可以使用函数vTaskDelayUntil()。

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime,const TickType_t xTimeIncrement )

参数:

• pxPreviousWakeTime:上一次任务延时结束被唤醒的时间点，任务中第一次调用函数vTaskDelayUntil
  的话需要将pxPreviousWakeTime初始化进入任务的
  while()循环体的时间点值。在以后的运行中函数vTaskDelayUntil()会自动更新pxPreviousWakeTime。
• xTimeIncrement:任务需要延时的时间节拍数(相对于pxPreviousWakeTime本次延时的节拍数)。

(1)挂起任务调度器。
(2)记录进入函数vTaskDelayUntil的时间点值，并保存在xConstTickCount中。
(3)根据延时时间xTimeIncrement来计算任务下一次要唤醒的时间点，并保存在xTimeToWake中。可以看出这个延时时间是相对于pxPreviousWakeTime的，也就是上一次任务被唤醒的时间点。pxPreviousWakeTime、xTimeToWake、xTimeIncrement和xConstTickCount的关系如下图。

上图为任务主体，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)为其他任务在运行。任务的延时时间是xTimeIncrement,这个延时时间是相对于pxPreviousWakeTime的，可以看出任务总的执行时间一定要小于任务的延时时间xTimeIncrement!也就是说如果使用vTaskDelayUntil()的话任务相当于任务的执行周期永远都是xTimeIncrement，而任务一定要在这个时间内执行完成。这样就保证了任务永远按照一定的频率运行了，这个延时值就是绝对延时时间，因此函数 vTaskDelayUntil()也叫做绝对延时函数。

示例代码

static void app_task1(void* pvParameters)
{
	for(;;)
	{
		printf("app_task1 is running ...,tick count = %u\r\n",xTaskGetTickCount());
		
		/* 相对延时：任务延时2000个节拍，每个节拍为1ms，所以延时2000ms */
		vTaskDelay(2000);
	}
}   

static void app_task2(void* pvParameters)
{
	uint32_t i=0,j=1;
	
	TickType_t xLastWakeTime;
	
	/* 获取进入任务时的时间点 */
	xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
	
	for(;;)
	{
		for(i=0; i<j*10000; i++);
		
		j+=10;
		
		printf("app_task2 is running ...,tick count = %u\r\n",xTaskGetTickCount());
		
		/* 绝对延时：任务延时2000个节拍，每个节拍为1ms，所以延时2000ms */		
		vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, 2000);
	}
} 

// 输出结果
app_task2 is running ...,tick count = 0
app_task1 is running ...,tick count = 47
app_task2 is running ...,tick count = 2002
app_task1 is running ...,tick count = 2096
app_task2 is running ...,tick count = 4005
app_task1 is running ...,tick count = 4150
app_task2 is running ...,tick count = 6007
app_task1 is running ...,tick count = 6206
app_task2 is running ...,tick count = 8009
app_task1 is running ...,tick count = 8264
app_task2 is running ...,tick count = 10012
app_task1 is running ...,tick count = 10326
app_task2 is running ...,tick count = 12014
app_task1 is running ...,tick count = 12390
app_task2 is running ...,tick count = 14016
app_task1 is running ...,tick count = 14456

总结：
\quad 任务2使用绝对延时能够给按照逼近2000个节拍频率固定运行（当前计数值：0-2002-4005-6007-8009-10012），任务1使用相对延时每次运行相隔时间不保证固定（当前计数值：47-2096-4150-6206-8264-10326）。

3、相对延时与绝对延时对比

• 相对延时

\quad 对于这样一个任务，执行过程如上图所示。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()进入阻塞状态。任务A进入阻塞后，其它任务得以执行。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设置为就绪状态。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。
\quad 从图可以看出，任务A每次延时都是从调用延时函数vTaskDelay()开始算起的，延时是相对于这一时刻开始的，所以叫做相对延时函数。
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()，不能周期性的执行任务A。

• 绝对延时
  
  \quad 对于这样一个任务，执行过程如上图所示。当任务B获取CPU使用权后，先调用系统延时函数vTaskDelayUntil()使任务进入阻塞状态。任务B进入阻塞后，其它任务得以执行。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设置为就绪状态。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()使任务进入阻塞状态，周而复始。
  \quad 从调用函数vTaskDelayUntil()开始，每隔固定周期，任务B的主体代码就会被执行一次，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，只是会缩短其它任务的执行时间！所以这个函数被称为绝对延时函数，它可以用于周期性的执行任务A的主体代码。
  总结
  \quad 上面的例子中，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。
  \quad 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。

二、自定义延时函数

1、微秒延时

void delay_us(uint32_t nus)
{		
	uint32_t ticks;
	uint32_t told,tnow,tcnt=0;
	uint32_t reload=SysTick->LOAD;	//系统定时器的重载值	    	 
	ticks=nus*(SystemCoreClock/1000000);//需要的节拍数 
	told=SysTick->VAL;        	//刚进入时的计数器值
 
	/* 挂起调度器[可选,会导致高优先级任务无法抢占当前任务，但能够提高当前任务时间的精确性] */
	vTaskSuspendAll();	
 
	while(1)
	{
		tnow=SysTick->VAL;
		
		if(tnow!=told)
		{	 
			/* SYSTICK是一个递减的计数器 */
			if(tnow<told)
				tcnt+=told-tnow;		
			else 
				tcnt+=reload-tnow+told;	  
			
			told=tnow;
			
			/* 时间超过/等于要延迟的时间,则退出。*/
			if(tcnt>=ticks)
				break;			
		}  
	}

	/* 恢复调度器[可选] */
	xTaskResumeAll();
}  

2、毫秒延时

void delay_ms(uint32_t nms)
{
	vTaskDelay(nms);
}