tags: [source-summary] type: source source: "尚硅谷嵌入式技术之FreeRTOS实时操作系统 V1.0.3 — 第7章时间片调度 + 第9章时间管理/延时函数" author: "尚硅谷研究院" date: 2026-07-17

created: 2026-07-17

时间片调度与延时管理

用生活理解：时间片调度就像自助餐厅的取餐规则——同等级的人轮流取菜，每人吃一口就轮到下一位（Round-Robin）。vTaskDelay 相当于"我过一会儿再来排队"，vTaskDelayUntil 则是"以后每周二下午三点我来，雷打不动"。

Concept

Time slice scheduling

时间片调度指多个相同优先级的任务轮流获得 CPU 使用权，每个任务执行一个时间片（一个 Tick）后被切换到下一个同优先级任务。

关键配置：

configUSE_TIME_SLICING：启用/禁用时间片调度（默认开启）
configUSE_PREEMPTION：启用抢占式调度（必须开启，否则时间片不生效）
configTICK_RATE_HZ：Tick 频率，决定时间片长度

时间片 = 1 个 Tick = 1 / configTICK_RATE_HZ 秒

Working principle

抢占式调度 + 时间片调度：

高优先级任务 → 总是先运行（抢占）
同优先级任务 → 轮流运行（时间片轮转）
低优先级任务 → 高/同优先级任务阻塞时才运行

configTICK_RATE_HZ = 20 → 每个 Tick 50ms → 时间片 50ms
configTICK_RATE_HZ = 1000 → 每个 Tick 1ms → 时间片 1ms

延时函数对比

函数	类型	描述	漂移
`vTaskDelay(Tick)`	相对延时	从调用开始等待指定 Tick 数	❌ 会漂移
`vTaskDelayUntil(pxPrevWakeTime, Tick)`	绝对延时	以固定周期执行，不受执行时间影响	✅ 固定周期
`HAL_Delay(ms)`	忙等待	占用 CPU 循环等待	阻塞式查询

vTaskDelay 的漂移问题：

第1周期：任务执行 20ms + 延时 500ms = 间隔 520ms
第2周期：任务执行 35ms + 延时 500ms = 间隔 535ms
→ 实际周期越跑越慢（漂移累积）

vTaskDelayUntil 的固定周期：

第1周期：记录唤醒时间 t1，延时到 t1+500
第2周期：记录唤醒时间 t2，延时到 t2+500
→ 无论任务执行多久，周期始终为 500ms

Experiment

Requirements

P05（时间片调度）：

2 个同优先级任务（优先级均为 2），各自进入临界区打印计数后退出
使用 HAL_Delay(10) 模拟工作量
观察两个任务交替执行（时间片轮转）

P08（延时对比）：

task1：使用 vTaskDelay(500) + HAL_Delay(20) 模拟工作 → 演示漂移
task2：使用 vTaskDelayUntil(&pxPreviousWakeTime, 500) + HAL_Delay(20) → 演示固定周期

Code Implementation

P05：时间片调度

File: 05_时间片调度/Core/Src/freertos_demo.c

#include "freertos_demo.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "LED.h"

#define START_TASK_STACK 128
#define START_TASK_PRIORITY 1
TaskHandle_t start_task_handle;
void start_task(void *pvParameters);

/* 两个任务使用相同优先级（均为2）→ 时间片轮转 */
#define TASK1_STACK 128
#define TASK1_PRIORITY 2
TaskHandle_t task1_handle;
void task1(void *pvParameters);

#define TASK2_STACK 128
#define TASK2_PRIORITY 2
TaskHandle_t task2_handle;
void task2(void *pvParameters);

void freertos_start(void)
{
    xTaskCreate((TaskFunction_t)start_task,
                (char *)"start_task",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)START_TASK_STACK,
                (void *)NULL,
                (UBaseType_t)START_TASK_PRIORITY,
                (TaskHandle_t *)&start_task_handle);

    vTaskStartScheduler();
}

void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();

    xTaskCreate((TaskFunction_t)task1, (char *)"task1",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK1_STACK, (void *)NULL,
                (UBaseType_t)TASK1_PRIORITY, (TaskHandle_t *)&task1_handle);
    xTaskCreate((TaskFunction_t)task2, (char *)"task2",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK2_STACK, (void *)NULL,
                (UBaseType_t)TASK2_PRIORITY, (TaskHandle_t *)&task2_handle);

    vTaskDelete(NULL);
    taskEXIT_CRITICAL();
}

/**
 * @description: task1——进入临界区打印计数，模拟工作
 * 注意：临界区内不触发任务切换，所以每次打印会连续输出多次后切换到task2
 */
void task1(void *pvParameters)
{
    uint16_t task1_count = 0;
    while (1)
    {
        taskENTER_CRITICAL();                // 进入临界区：防止切换
        printf("task1正在运行[%d]次...\r\n", ++task1_count);
        // vTaskDelay(500);                  // 使用vTaskDelay会触发调度，观察不到时间片
        HAL_Delay(10);                       // 忙等待模拟工作负载，不切换任务
        taskEXIT_CRITICAL();                 // 退出临界区：允许切换
    }
}

/**
 * @description: task2——与task1同优先级，时间片轮转
 */
void task2(void *pvParameters)
{
    uint16_t task2_count = 0;
    while (1)
    {
        taskENTER_CRITICAL();
        printf("task2正在运行[%d]次...\r\n", ++task2_count);
        HAL_Delay(10);
        taskEXIT_CRITICAL();
    }
}

/* 观察现象：
   当configTICK_RATE_HZ=20时，时间片=50ms
   HAL_Delay(10)执行时间<50ms，
   所以每次进入临界区可以在一个时间片内打印多次
   退出临界区后下次调度切换到另一个任务 */

P08：延时函数对比

File: 08_延时函数/Core/Src/freertos_demo.c

#include "freertos_demo.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "LED.h"

#define START_TASK_STACK 128
#define START_TASK_PRIORITY 1
TaskHandle_t start_task_handle;
void start_task(void *pvParameters);

#define TASK1_STACK 128
#define TASK1_PRIORITY 2
TaskHandle_t task1_handle;
void task1(void *pvParameters);

#define TASK2_STACK 128
#define TASK2_PRIORITY 3
TaskHandle_t task2_handle;
void task2(void *pvParameters);

void freertos_start(void)
{
    xTaskCreate((TaskFunction_t)start_task,
                (char *)"start_task",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)START_TASK_STACK,
                (void *)NULL,
                (UBaseType_t)START_TASK_PRIORITY,
                (TaskHandle_t *)&start_task_handle);

    vTaskStartScheduler();
}

void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL();

    xTaskCreate((TaskFunction_t)task1, (char *)"task1",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK1_STACK, (void *)NULL,
                (UBaseType_t)TASK1_PRIORITY, (TaskHandle_t *)&task1_handle);
    xTaskCreate((TaskFunction_t)task2, (char *)"task2",
                (configSTACK_DEPTH_TYPE)TASK2_STACK, (void *)NULL,
                (UBaseType_t)TASK2_PRIORITY, (TaskHandle_t *)&task2_handle);

    vTaskDelete(NULL);
    taskEXIT_CRITICAL();
}

/**
 * @description: task1——使用vTaskDelay相对延时 + HAL_Delay模拟工作
 *               现象：LED翻转间隔会逐渐漂移（越来越慢）
 */
void task1(void *pvParameters)
{
    while (1)
    {
        LED_Toggle(LED1_Pin);              // 翻转LED1
        HAL_Delay(20);                      // 模拟工作任务耗时20ms
        vTaskDelay(500);                   // 相对延时500ms（不包括HAL_Delay耗时）
    }                                      // 实际周期 = 20ms + 500ms = 520ms
}

/**
 * @description: task2——使用vTaskDelayUntil绝对延时 + HAL_Delay模拟工作
 *               现象：LED翻转周期严格固定为500ms
 */
void task2(void *pvParameters)
{
    TickType_t pxPreviousWakeTime = xTaskGetTickCount();  // 获取当前Tick计数值作为基准
    while (1)
    {
        LED_Toggle(LED2_Pin);              // 翻转LED2
        HAL_Delay(20);                      // 模拟工作任务耗时20ms
        vTaskDelayUntil(&pxPreviousWakeTime, 500);  // 绝对延时：等待到 pxPrevWakeTime + 500
    }                                      // 实际周期始终为500ms，不受HAL_Delay影响
}

Key Config

P05 FreeRTOSConfig.h（降低 Tick 频率便于观察时间片）：

#define configTICK_RATE_HZ         20    // Tick频率20Hz，时间片=50ms
#define configUSE_TIME_SLICING     1     // 启用时间片调度（默认即开启）
#define configUSE_PREEMPTION       1     // 启用抢占式调度（必须）

Core API Reference Table

Function	Parameters	Return	Description
`vTaskDelay`	xTicksToDelay	void	相对延时，从调用时开始计时
`vTaskDelayUntil`	pxPreviousWakeTime, xTimeIncrement	BaseType_t	绝对延时，固定周期
`xTaskGetTickCount`	无	TickType_t	获取当前 Tick 计数值
`configTICK_RATE_HZ`	宏定义	—	配置每秒 Tick 数
`configUSE_TIME_SLICING`	宏定义	—	启用/禁用的时间片调度
`HAL_Delay`	Delay	void	HAL 库忙等待延时（阻塞 CPU）

Common Issues & Pitfalls

vTaskDelay 的漂移累积：如果任务内部的执行时间不固定，vTaskDelay 会导致周期逐渐漂移。对周期有严格要求的场景必须使用 vTaskDelayUntil。
vTaskDelayUntil 的初次使用：vTaskDelayUntil 要求 pxPreviousWakeTime 初始化为 xTaskGetTickCount()，且在每次调用后会被 API 自动更新。
时间片调度与临界区的相互作用：在临界区中不会发生任务切换，因此如果在临界区内耗时超过一个时间片，仍不会切换到同优先级任务。
HAL_Delay 在 FreeRTOS 中的问题：HAL_Delay 是忙等待不释放 CPU，在 RTOS 中应优先使用 vTaskDelay。如果定时器中断优先级配置不当，HAL_Delay 可能无法正常工作。
configTICK_RATE_HZ 不能过高：Tick 频率过高（如 10000Hz）意味着每个 Tick 0.1ms，频繁的上下文切换会消耗大量 CPU 时间，降低有效运算能力。嵌入式系统常用 100~1000Hz。
时间片观测技巧：在临界区中打印计数可以观察到时间片行为——同一任务在一次时间片内可能执行多次循环。

08-时间片调度与延时管理.md 9.9 KB Historia Czysty