FreeRTOS单多核调度

FreeRTOS作为一种轻量级的实时操作系统（RTOS），在嵌入式系统中被广泛应用，尤其是在多任务、多线程的环境下，提供了良好的调度机制。随着多核微控制器（MCU）的逐步普及，FreeRTOS不仅支持单核调度，还引入了多核调度能力。

一、单核调度策略

FreeRTOS的单核调度策略是所有RTOS的基础功能。单核调度器主要负责管理多个任务，确保在单个处理器上公平且高效地执行每个任务。FreeRTOS单核调度的核心是固定优先级的抢占式调度，并辅以时间切片轮询的策略。

1.1 固定优先级调度
在FreeRTOS中，每个任务都分配了一个固定的优先级，调度器根据任务的优先级来决定哪个任务最先执行。这里的固定优先级意味着在系统运行过程中，除非通过编程明确改变任务的优先级，调度器不会自动修改任务的优先级。

但是，FreeRTOS支持优先级继承机制。在某些场景下，如果低优先级任务持有某个共享资源，而高优先级任务等待这个资源，系统会临时提升低优先级任务的优先级，直到其释放资源，以避免优先级反转问题。

1.2 抢占式调度
FreeRTOS的抢占式调度策略意味着系统始终优先执行优先级最高的可运行任务。当系统检测到有更高优先级的任务变为可执行状态时，当前的低优先级任务将被中断，切换到高优先级任务执行。这种调度方式确保了实时系统中高优先级任务能及时响应和执行。

例如，当中断服务程序（ISR）中有高优先级任务变为可运行状态，系统立即暂停当前低优先级任务，并将CPU资源切换给高优先级任务执行。

1.3 时间切片与轮询调度
对于同等优先级的任务，FreeRTOS采用时间切片轮询的方式调度。在系统的每一个时钟周期（tick）到来时，调度器会在优先级相同的任务之间切换执行权。这种轮流执行的方式确保了同优先级任务能够公平地共享CPU资源。

配置时间切片的相关参数在FreeRTOS的配置文件中定义。通过调整时间切片的长度，可以优化任务之间的切换频率，进而提升系统的响应速度和资源利用效率。

1.4 配置选项
FreeRTOS的单核调度配置主要涉及以下两个重要的选项：

configUSE_PREEMPTION：该选项决定是否启用抢占式调度。如果设置为1，系统启用抢占式调度；如果设置为0，调度器只会在任务进入阻塞、挂起或主动让出CPU（如调用taskYIELD()）时进行任务切换。

configUSE_TIME_SLICING：该选项决定是否启用时间切片。设置为1时，调度器将在每个tick中断后切换同优先级任务；设置为0时，系统不使用时间切片机制，同优先级任务不会自动轮流执行。

二、多核调度策略

随着多核MCU的广泛应用，FreeRTOS也扩展了其调度能力，支持对称多处理（SMP）和非对称多处理（AMP）两种多核调度策略。这使得FreeRTOS可以在多个处理器核心之间更高效地分配任务，从而提高系统的并行处理能力。

2.1 对称多处理（SMP）
在SMP架构下，FreeRTOS的一个实例可以跨多个处理器核心调度任务。所有核心共享相同的内存空间和处理器架构，这意味着同一个FreeRTOS调度器能够同时管理所有核心上的任务。

SMP的主要特点是：任务可以在任何核心上运行，系统会自动将任务调度到空闲的核心。这种调度方式提高了系统的并行处理能力，减少了任务在单个核心上的拥塞问题。

配置SMP的两个关键选项
configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES：设置为0时，只有相同优先级的多个任务会被同时调度到多个核心上运行。设置为1时，即使任务具有不同的优先级，也可以同时运行在多个核心上。

configUSE_CORE_AFFINITY：该选项启用后，允许用户通过vTaskCoreAffinitySet()函数为每个任务指定可以运行的核心。这种方式可以防止某些任务在不期望的核心上运行，从而避免因核心之间竞争资源而导致的问题。

2.2 非对称多处理（AMP）
在AMP架构中，每个处理器核心都运行自己独立的FreeRTOS实例。不同的核心可以拥有不同的处理器架构，这意味着系统可以在不同架构的核心上运行各自的任务调度器。然而，若需要核心之间进行通信，则需要通过共享内存或其他机制来实现。

AMP的最大优势是各个核心可以独立运行各自的任务调度，不会相互干扰。常见的应用场景是双核MCU，如ARM Cortex-M4和M7，通过共享内存进行数据交互。

核间通信机制： 在AMP系统中，核心之间的通信通常通过流缓冲区或消息缓冲区来实现。这些缓冲区位于共享内存中，两个核心可以通过该缓冲区来交换数据。例如，一个核心可以通过中断信号通知另一个核心读取缓冲区中的数据。

三、任务调度策略的应用场景

3.1 单核调度的应用场景
单核调度广泛应用于资源有限的小型嵌入式系统中，如单核MCU应用程序。典型的应用场景包括：

简单的实时系统，如传感器数据采集、低功耗设备。
需要对任务优先级进行严格控制的场景，如实时控制系统。
在这些场景中，抢占式调度和时间切片机制能够确保高优先级任务及时得到处理，同时对同等优先级任务进行公平调度。

3.2 多核调度的应用场景
多核调度在高性能嵌入式系统中得到了广泛应用，特别是在需要处理大量并行任务的场景中，如：

多媒体处理，如音频、视频解码。
网络处理，如路由器、交换机中需要处理多个并发网络连接的系统。
工业控制，如自动化设备中的并行控制任务。
在这些场景中，SMP能够充分利用多个核心的资源，并行执行多个任务；而AMP则允许不同核心执行不同类型的任务，并通过核心间通信进行协作。

FreeRTOS的单核和多核调度策略为嵌入式系统开发者提供了灵活且高效的任务管理能力。无论是单核系统中的抢占式调度与时间切片机制，还是多核系统中的SMP和AMP架构，FreeRTOS都能通过简单的配置满足不同的应用需求。理解并合理应用这些调度策略，对于构建高效、稳定的嵌入式系统至关重要。