FreeRTOS_时间管理_freertos 时间

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笔记内容参考（正点原子的FreeRTOS开发手册、cortex-m3权威指南、Cortex-M3和Cortex-M4权威指南等）以及网络笔记

代码环境：CubeMX生成的FreeRTOS

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大纲

FreeRTOS时间管理部分，主要是涉及系统节拍以及任务延时管理。

1. 系统节拍：嵌入式实时操作系统运行，必须要有时钟节拍，就像人的心脏一样。FreeRTOS的时钟节拍通常由SysTick提供，
2. 任务延时管理：主要是两个延时函数（相对延时函数vTaskDelay，绝对延时函数vTaskDelayUntil）

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1、SysTick

SysTick直属与 Coretx-M 内核，它不是 STM32 专属的，只要是 Cortex-M 内核的 MCU 就都有 SysTick。SysTick 定时器是个 24 位的向下计数器，这个计数器的使命就是为系统提供服务的。操作系统都需要一个系统时钟，每个系统时钟周期都会触发 OS 内核执行一些系统调用，比如进行任务管理、任务切换等。SysTick 就可以完成此功能，使能 SysTick 中断，设置好定时周期，SysTikc 就会周期性的触发中断，跟系统有关的操作就可以在 SysTick 的中断服务函数中完成。如果不使用系统的话 SysTick 也可以当作普通的定时器使用，完成简单的计时功能。SysTick 定时器被捆绑在 NVIC 中，用于产生 SysTick 异常（异常号：15）。

• 在CubeMX中与一个选项就是Timebase source，这里原本默认就是SysTick，那为什么要改为其他的定时器呢？
  因为操作系统需要一个时基，而在我是用的Cortex-M中专门有一个系统时钟SysTick为OS准备。由于FreeRTOS已经使用了SysTick，所以HAL库需要重新弄一个定时器（HAL_Delay()）
  

在文件 core_cm4.h 中用结构体 SysTick_Type 来描述这四个寄存器，结构体 SysTick_Type的定义如下：

#define SCS_BASE (0xE000E000UL)
#define SysTick_BASE (SCS_BASE + 0x0010UL)
typedef struct
{
__IOM uint32_t CTRL; //控制与状态寄存器
__IOM uint32_t LOAD; //自动重装载值寄存器
__IOM uint32_t VAL; //当前计数值寄存器
__IM uint32_t CALIB; //校准值寄存器
} SysTick_Type;
#define SysTick ((SysTick_Type *) SysTick_BASE)
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实际使用中操作最多的是 CTRL、LOAD 和 VAL 这三个寄存器，CALIB 寄存器基本不会使用了。CTRL、LOAD 和 VAL 这三个寄存器各 bit 的描述如表 所示：

• CTRL寄存器的第二位设置SysTick时钟源，1为内核时钟，一般使用1，也就是系统的主频（如下图）
  

关于SysTick的设置[main.c --> osKernelStart() --> vTaskStartScheduler() --> xPortStartScheduler() --> vPortSetupTimerInterrupt() ]

/*
 * Setup the SysTick timer to generate the tick interrupts at the required
 * frequency.
 */
#if( configOVERRIDE_DEFAULT_TICK_CONFIGURATION == 0 )

	__weak void vPortSetupTimerInterrupt( void )
	{
		/* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
		#if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 )
		{
			ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
			xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
			ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ / configSYSTICK_CLOCK_HZ );
		}
		#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */

		/* Stop and clear the SysTick. */
		portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
		portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;

		/* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
		portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
		portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
	}
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#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG			( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e010 ) )
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG			( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e014 ) )
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• portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG设置SysTick参数：

• portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT：使用内核时钟 168MHz
• portNVIC_SYSTICK_INT_BIT：打开SysTick中断
• portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT：使能SysTick

• portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG设置SysTick重装载值：
• configSYSTICK_CLOCK_HZ：这个值最终的定义是uint32_t SystemCoreClock = 16000000;这里的16000000是初始值，并不是最终值，因为我们已经选择了内核时钟作为RTC时钟源（168M），在系统初始化运行会进行修改。如下面的代码所示
• configTICK_RATE_HZ为100，则系统节拍时钟周期为10ms，设置宏configTICK_RATE_HZ为1000，则系统节拍时钟周期为1ms，太频繁的 Tick 中断会导致过频繁的上下文切换，增加系统负担，过于长的上下文切换，会导致任务响应不及时；

在main函数里面引用了 SystemClock_Config(); 然后通过HAL_RCC_ClockConfig，更新了SystemCoreClock值

//代码其他都是删过得

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
}

HAL_StatusTypeDef HAL_RCC_ClockConfig(RCC_ClkInitTypeDef  *RCC_ClkInitStruct, uint32_t FLatency)
{
  /* Update the SystemCoreClock global variable */
  SystemCoreClock = HAL_RCC_GetSysClockFreq() >> AHBPrescTable[(RCC->CFGR & RCC_CFGR_HPRE)>> RCC_CFGR_HPRE_Pos];
}
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2、时间相关函数

FreeRTOS 中的时间延迟函数主要有以下两个作用：

1. 为周期性执行的任务提供延迟。
2. 对于抢占式调度器，让高优先级任务可以通过时间延迟函数释放 CPU 使用权，从而让低优先级任务可以得到执行。

2.1、xTaskGetTickCount

TickType_t xTaskGetTickCount( void )
{
TickType_t xTicks;

	/* Critical section required if running on a 16 bit processor. */
	portTICK_TYPE_ENTER_CRITICAL();
	{
		xTicks = xTickCount;
	}
	portTICK_TYPE_EXIT_CRITICAL();

	return xTicks;
}
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2.2、xTaskGetTickCountFromISR

TickType_t xTaskGetTickCountFromISR( void )
{
TickType_t xReturn;
UBaseType_t uxSavedInterruptStatus;

	/* RTOS ports that support interrupt nesting have the concept of a maximum
	system call (or maximum API call) interrupt priority.  Interrupts that are
	above the maximum system call priority are kept permanently enabled, even
	when the RTOS kernel is in a critical section, but cannot make any calls to
	FreeRTOS API functions.  If configASSERT() is defined in FreeRTOSConfig.h
	then portASSERT_IF_INTERRUPT_PRIORITY_INVALID() will result in an assertion
	failure if a FreeRTOS API function is called from an interrupt that has been
	assigned a priority above the configured maximum system call priority.
	Only FreeRTOS functions that end in FromISR can be called from interrupts
	that have been assigned a priority at or (logically) below the maximum
	system call	interrupt priority.  FreeRTOS maintains a separate interrupt
	safe API to ensure interrupt entry is as fast and as simple as possible.
	More information (albeit Cortex-M specific) is provided on the following
	link: https://www.freertos.org/RTOS-Cortex-M3-M4.html */
	portASSERT_IF_INTERRUPT_PRIORITY_INVALID();

	uxSavedInterruptStatus = portTICK_TYPE_SET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
	{
		xReturn = xTickCount;
	}
	portTICK_TYPE_CLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( uxSavedInterruptStatus );

	return xReturn;
}
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2.3、vTaskDelay与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
• 绝对延时是指调用vTaskDelayUntil()的任务每隔x时间运行一次。也就是任务周期运行。

vTaskDelayUntil使用：

static void vTaskLED(void *pvParameters)
{
    TickType_t xLastWakeTime;
    const TickType_t xFrequency = 200;

    /* 获取当前的系统时间 */
    xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
    
    while(1)
    {
        bsp_LedToggle(2);
        
        /* vTaskDelayUntil是绝对延迟，vTaskDelay是相对延迟。*/
        vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime, xFrequency);
    }
}
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