增加时间片轮询，支持同等优先级的任务轮询执行

0、思考与回答

0.1、思考一

为什么要增加时间片轮询？

目前的 RTOS 内核已经支持抢占优先级，即高优先级的任务会抢占低优先级的任务得到执行，但是对于同等优先级的任务，如果不支持时间片轮询，则只能有一个任务运行，并且由于优先级相同所以除延时阻塞到期外也不会发生任务调度，因此需要增加时间片轮询保证同等优先级的任务能得到轮流执行

1、内核程序修改

1.1、xTaskIncrementTick( )

在该函数中除了任务延时阻塞时间到期产生任务调度外，增加支持时间片轮询的任务切换，具体如下所示

/*task.c*/

BaseType_t xTaskIncrementTick(void)

{

// 省略未修改的程序

......

#if((configUSE_PREEMPTION == 1) && (configUSE_TIME_SLICING == 1))

// 支持时间片轮询

if(listCURRENT_LIST_LENGTH(&(pxReadyTasksLists[pxCurrentTCB->uxPriority])) > 1)

{

xSwitchRequired = pdTRUE;

}

#endif

return xSwitchRequired;

}

/* FreeRTOSConfig.h */

// 支持时间片轮询

#define configUSE_TIME_SLICING 1

1.2、原理

假设当前系统中只存在两个优先级相同的任务，时间片轮询任务切换流程如下

xTaskIncrementTick()

-> vTaskSwitchContext()

-> taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()

-> listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()

当进入滴答定时器中断服务函数时，如果发现就绪链表数组中的某个链表中链表项的数量大于 1 ，则表示该优先级下有不止一个任务，此时就可以产生任务调度

当有任务调度产生的时候，会调用 vTaskSwitchContext() 和 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() 两个函数寻找当前的最高优先级任务，但是系统中只有两个优先级相同的任务，因此最高优先级仍然没变，但是在这个优先级下返回的任务却变成了下一个

为什么呢？

关键在于 listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY() 函数，这个宏函数每次调用会获取链表中下一个链表项的 pvOwner 参数，由于是双向链表，因此会不断的循环链表中的链表项（两个同等优先级的任务），每次发生任务调度就会切换一次任务，所以就实现了时间片轮询

3、实验

3.1、测试

参考 FreeRTOS 简单内核实现6 优先级 "3.1、测试" 小节内容，将两个任务的优先级修改为一样，然后在两个任务中均使用软件延时模拟任务连续运行，具体程序如下所示

/* main.c */

/* USER CODE BEGIN Includes */

#include "FreeRTOS.h"

/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN PV */

// 软件延时

void delay(uint32_t count)

{

for(;count!=0;count--);

}

TaskHandle_t Task1_Handle;

#define TASK1_STACK_SIZE 128

StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE];

TCB_t Task1TCB;

UBaseType_t Task1Priority = 2;

TaskHandle_t Task2_Handle;

#define TASK2_STACK_SIZE 128

StackType_t Task2Stack[TASK2_STACK_SIZE];

TCB_t Task2TCB;

UBaseType_t Task2Priority = 2;

// 任务 1 入口函数

void Task1_Entry(void *parg)

{

for(;;)

{

HAL_GPIO_TogglePin(GREEN_LED_GPIO_Port, GREEN_LED_Pin);

delay(10000000);

}

}

// 任务 2 入口函数

void Task2_Entry(void *parg)

{

for(;;)

{

HAL_GPIO_TogglePin(ORANGE_LED_GPIO_Port, ORANGE_LED_Pin);

delay(10000000);

}

}

/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN 2 */

// 创建任务 1 和 2

Task1_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)Task1_Entry,

(char *)"Task1",

(uint32_t)TASK1_STACK_SIZE,

(void *)NULL,

(UBaseType_t)Task1Priority,

(StackType_t *)Task1Stack,

(TCB_t *)&Task1TCB);

Task2_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)Task2_Entry,

(char *)"Task2",

(uint32_t)TASK2_STACK_SIZE,

(void *) NULL,

(UBaseType_t)Task2Priority,

(StackType_t *)Task2Stack,

(TCB_t *)&Task2TCB );

// 启动任务调度器，永不返回

vTaskStartScheduler();

/* USER CODE END 2 */

将 configUSE_TIME_SLICING 调整为 0 ，然后烧录程序，仍然使用逻辑分析仪捕获两个 LED 的引脚电平，结果如下图所示

可以发现在不启用时间片轮询时，由于两个任务优先级一致，并且两个任务模拟连续运行，因此只有任务 Task2 被运行 （为什么是 Task2 ?）

将 configUSE_TIME_SLICING 调整为 1，然后烧录程序，仍然使用逻辑分析仪捕获两个 LED 的引脚电平，结果如下图所示

可以发现，对于优先级相同且连续运行的任务几乎是在同时运行，其实是因为每个时间片（滴答定时器间隔）都发生了一次任务调度

3.2、待改进

当前 RTOS 简单内核已实现的功能有

1. 静态方式创建任务
2. 手动切换任务
3. 临界段保护
4. 任务阻塞延时
5. 支持任务优先级
6. 阻塞链表
7. 时间片轮询

后续 RTOS 简单内核可以增加

1. 任务间通信机制
   1. 信号量
   2. 互斥锁
   3. 消息队列
   4. ......
2. 其他功能
   1. 软件定时器
   2. ......