FreeRTOS 單核、多核的調(diào)度策略

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作者 | strongerHuang
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FreeRTOS 因為早期的開源免費商用（遵循MIT開源許可協(xié)議），占據(jù)了 RTOS 絕大部分市場。
隨著多核MCU的普及，F(xiàn)reeRTOS也緊跟潮流，支持多核調(diào)度。今天就來分享一下 FreeRTOS 單核、多核的調(diào)度策略。
單核調(diào)度策略
單核調(diào)度是所有RTOS都具有的功能，也是必備的最基礎(chǔ)的功能。

FreeRTOS的單核調(diào)度策略和市面上很多RTOS相同或類似，也就是：默認使用固定優(yōu)先級的搶占式調(diào)度策略，對同等優(yōu)先級的任務(wù)執(zhí)行時間切片輪詢調(diào)度。

固定優(yōu)先級：指調(diào)度器不會永久更改任務(wù)的優(yōu)先級， 但可能會因優(yōu)先級繼承而暫時提高任務(wù)的優(yōu)先級。

搶占式：指調(diào)度器始終運行優(yōu)先級最高且可運行的 RTOS 任務(wù)， 無論任務(wù)何時能夠運行。例如， 如果中斷服務(wù)程序 (ISR) 更改了優(yōu)先級最高且可運行的任務(wù)， 調(diào)度器會停止當前正在運行的低優(yōu)先級任務(wù) 并啟動高優(yōu)先級任務(wù)——即使這發(fā)生在同一個時間片內(nèi) 。這種情況下可以說高優(yōu)先級任務(wù) “搶占”了低優(yōu)先級任務(wù)。

輪詢調(diào)度：指具有相同優(yōu)先級的任務(wù)輪流進入運行狀態(tài)。

時間切片：指調(diào)度器會在每個 tick 中斷上在同等優(yōu)先級任務(wù)之間進行切換， tick 中斷之間的時間構(gòu)成一個時間切片。（tick 中斷是 RTOS 用來衡量時間的周期性中斷。）
這里可以參看我前面分享的文章：關(guān)于RTOS設(shè)置滴答Tick設(shè)置的問題
配置調(diào)度策略FreeRTOSConfig.h是整個系統(tǒng)的配置文件，這里有兩個調(diào)度相關(guān)的配置。
1、configUSE_PREEMPTION默認配置為 1

#define configUSE_PREEMPTION      1如果 configUSE_PREEMPTION 為 0，則表示搶占已關(guān)閉， 而且只有當運行狀態(tài)的任務(wù)進入“阻塞”或“掛起”狀態(tài)， 或運行狀態(tài)任務(wù)調(diào)用 taskYIELD()， 或中斷服務(wù)程序 (ISR) 手動請求上下文切換時，才會發(fā)生上下文切換。
2、configUSE_TIME_SLICING這個配置在早期版本是沒有的，后面新增的功能。同樣，默認配置 1

#define configUSE_TIME_SLICING                     1如果 configUSE_TIME_SLICING 為 0，則表示時間切片已關(guān)閉， 因此調(diào)度器不會在每個 tick 中斷上在同等優(yōu)先級的任務(wù)之間切換。
多核調(diào)度策略
MCU多核調(diào)度分為：對稱多處理 (SMP) 和 非對稱多處理 (AMP)。

1、對稱多處理 (SMP)
使用 FreeRTOS 的對稱多處理 (SMP) 指的是一個 FreeRTOS 實例可以跨多個處理器核心調(diào)度 RTOS 任務(wù)。

由于只有一個 FreeRTOS 實例在運行，一次只能使用 FreeRTOS 的一個“移植”， 因此每個核心必須具有相同的處理器架構(gòu)并共用相同的內(nèi)存空間。
針對(SMP)對稱多處理，同樣在FreeRTOSConfig.h配置文件中有相關(guān)的配置。
a、configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES如果 configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES 設(shè)置為 0，則只有在多個任務(wù)具有相同優(yōu)先級的情況下， 調(diào)度器才會同時運行多個任務(wù)。這可以修復基于下列假設(shè)編寫的代碼：一次將只運行一個任務(wù)，但同時必須犧牲 SMP 配置帶來的一些好處。
b、configUSE_CORE_AFFINITY如果 configUSE_CORE_AFFINITY 設(shè)置為 1， 則 vTaskCoreAffinitySet() API 函數(shù)可用于定義某個任務(wù)可以在哪些核心上運行以及不可以在哪些核心上運行。使用該方法，應(yīng)用程序編寫者可以防止同時執(zhí)行假設(shè)了自身執(zhí)行順序的兩個任務(wù) 。
2、非對稱多處理 (AMP)
使用 FreeRTOS 的非對稱多處理 (AMP) 是指多核設(shè)備的每個核心都單獨運行自己的 FreeRTOS 實例。這些核心并不都需要具有相同架構(gòu)， 但如果 FreeRTOS 實例之間需要進行通信，則需要共享一些內(nèi)存。

每個核心都會運行自己的 FreeRTOS 實例， 因此任何給定核心上的調(diào)度算法與上文的單核系統(tǒng)調(diào)度算法完全相同。你可以使用流緩沖區(qū)或消息緩沖區(qū)作為核間通信原語， 這樣一來，一個核心上的任務(wù)可以進入“阻塞”狀態(tài)， 以等待另一個核心發(fā)來的數(shù)據(jù)或事件。

之前分享的文章《雙核單片機M4和M7之間通信的原理》其中就講述了非對稱多處理 (AMP)具體實現(xiàn)的一些原理。

實現(xiàn)雙核之間通信基本原理：發(fā)送和接收任務(wù)位于非對稱多處理器（AMP）配置中的多核微控制器（MCU）的不同內(nèi)核上，這意味著每個內(nèi)核都運行自己的FreeRTOS程序。
同時，一個內(nèi)核在另一個內(nèi)核中具有生成中斷的能力，以及兩個內(nèi)核都有訪問的內(nèi)存區(qū)域（共享內(nèi)存）。消息緩沖區(qū)以每個內(nèi)核上運行在應(yīng)用程序已知的地址置在共享內(nèi)存中，如下圖：

理想情況下，還將有一個內(nèi)存保護單元（MPU），以確保只能通過內(nèi)核的消息緩沖區(qū)API來訪問消息緩沖區(qū)，并最好將共享內(nèi)存標記為不可被其他程序占用。
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