FreeRTOS 的对称多处理 (SMP)

FreeRTOS 内核中的 SMP 支持可使一个 FreeRTOS FreeRTOS 内核实例在多个相同的处理器内核上调度任务。 这些内核架构必须相同，并共享相同的内存。

• 入门
• 修改应用程序以使用 FreeRTOS SMP 功能
• SMP 特定 API
• SMP 特定钩子函数
• SMP 特定配置选项

FreeRTOS 和 SMP 入门指南

最简单的入门方法是使用以下预配置 的示例项目之一：

• XCORE AI
• Raspberry Pi Pico

修改应用程序以使用 FreeRTOS SMP 功能

FreeRTOS API 单核和 SMP 版本之间基本上保持相同，除了 以下特定 API。因此，为尽量减少或不增加任何工作量，应同时编译 FreeRTOS 单核 与 SMP 版本。但是， 一些适用于单核应用的设计假设可能不适用于多核应用， 因此可能会存在一些功能问题。

其中一个常见的假定是，在较高优先级的任务正在运行时， 较低优先级的任务无法运行。虽然这在单核上是正确的，但并不适用于多核， 因为多个任务可以 同时运行。如果应用程序依赖于相对任务优先级来提供 相互排斥，则可能在多核环境中观察到意想不到的结果。 应用程序编写者有以下几个选择来解决这一问题：

1. 最好的选择是更新应用程序，使其不依赖于任务优先级， 而是使用同步基元。
2. 另一个选择是 使用 vTaskCoreAffinitySet API 将所有不能同时运行的任务固定到一个内核。
3. 第 3 个选则是将 configRUN_MULTIPLE_priority 定义为 0， 这样可确保多个任务只有在具有相同优先级时 才会同时运行。请注意，这可能会导致利用率不足， 并使一些内核在可用于运行其他低优先级任务时处于空闲状态。

另一个常见的假定是， ISR 不能彼此或与其他任务同时运行。 这在多核环境中不再适用，应用程序编写者 需要在访问任务和 ISR 之间共享的数据时确保适当的互斥。可以在 ISR 中 使用宏 taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 和 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()， 并且可以在任务中使用宏 taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL()， 以提供这种互斥。

SMP 特定 API

以下附加 API 可用于 FreeRTOS-SMP 内核：

• xTaskCreateAffinitySet
• xTaskCreateStaticAffinitySet
• xTaskCreateRestrictedAffinitySet
• xTaskCreateRestrictedStaticAffinitySet
• vTaskCoreAffinitySet
• vTaskCoreAffinityGet
• vTaskPreemptionDisable
• vTaskPreemptionEnable

xTaskCreateAffinitySet

BaseType_t xTaskCreateAffinitySet( TaskFunction_t pxTaskCode,
                                    const char * const pcName,
                                    const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
                                    void * const pvParameters,
                                    UBaseType_t uxPriority,
                                    UBaseType_t uxCoreAffinityMask,
                                    TaskHandle_t * const pxCreatedTask );

此函数是 xTaskCreate 的扩展， 用于创建一个带有关联掩码的新任务，并将其添加到准备运行的任务列表中。 configUSE_CORE_AFFINITY 必须定义为 1，才可使用此函数。

参数：

• uxCoreAffinityMask - 一个按位值，指示可以 运行任务的内核。内核编号从 0 到 (configNUMBER_OF_CORES - 1)。例如， 为确保任务能在内核 0 和内核 1 上运行，请将 uxCoreAffinityMask 设置为 0x03。

xTaskCreateStaticAffinitySet

TaskHandle_t xTaskCreateStaticAffinitySet( TaskFunction_t pxTaskCode,
                                           const char * const pcName,
                                           const uint32_t ulStackDepth,
                                           void * const pvParameters,
                                           UBaseType_t uxPriority,
                                           StackType_t * const puxStackBuffer,
                                           StaticTask_t * const pxTaskBuffer,
                                           UBaseType_t uxCoreAffinityMask );

此函数是 xTaskCreateStatic 的扩展， 用于创建一个带有关联掩码的新任务，并将其添加到准备运行的任务列表中。 configUSE_CORE_AFFINITY 必须定义为 1，才可使用此函数。

参数：

• uxCoreAffinityMask - 一个按位值，指示可以 运行任务的内核。内核编号从 0 到 (configNUMBER_OF_CORES - 1)。例如， 可以在内核 0 和内核 1 上运行，请将 uxCoreAffinityMask 设置

xTaskCreateRestrictedAffinitySet

BaseType_t xTaskCreateRestrictedAffinitySet( const TaskParameters_t * const pxTaskDefinition,
                                             UBaseType_t uxCoreAffinityMask,
                                             TaskHandle_t * pxCreatedTask );

此函数是 xTaskCreateRestricted 的扩展， 用于创建带有关联掩码的内存保护单元 (MPU) 受限任务，并将其添加到任务列表中 configUSE_CORE_AFFINITY 必须定义为 1，此函数 才可用。

参数：

• uxCoreAffinityMask - 一个按位值，指示可以 运行任务的内核。内核编号从 0 到 (configNUMBER_OF_CORES - 1)。例如， 为确保任务能在内核 0 和内核 1 上运行，请将 uxCoreAffinityMask 设置为 0x03。

xTaskCreateRestrictedStaticAffinitySet

BaseType_t xTaskCreateRestrictedStaticAffinitySet( const TaskParameters_t * const pxTaskDefinition,
                                                   UBaseType_t uxCoreAffinityMask,
                                                   TaskHandle_t * pxCreatedTask );

此函数是 xTaskCreateRestrictedStatic 的扩展， 并用于创建具有相关性掩码的内存保护单元(MPU)受限任务，并将其添加到准备运行的任务列表中。 configUSE_CORE_AFFINITY 必须定义为 1，此函数才可用 。

参数：

• uxCoreAffinityMask - 一个按位值，指示可以 运行任务的内核。内核编号从 0 到 (configNUMBER_OF_CORES - 1)。例如， 可以在内核 0 和内核 1 上运行，请将 uxCoreAffinityMask 设置

vTaskCoreAffinitySet

void vTaskCoreAffinitySet( const TaskHandle_t xTask, UBaseType_t uxCoreAffinityMask ); 

configUSE_CORE_AFFINITY 必须定义为 1，才可使用此函数。

设置任务的内核关联掩码，即可以运行任务的内核。

参数：

• xTask：内核关联掩码所要执行任务的句柄。传递 NULL 将为 调用任务设置内核关联掩码。

• uxCoreAffinityMask - 一个按位值，指示可以 运行任务的内核。内核的编号范围为 0 到 （configNUMBER_OF_CORES - 1）。例如，为确保任务 可以在内核 0 和内核 1 上运行，请将 uxCoreAffinityMask 设置 为 0x03。

用法示例：

/* The function that creates task. */

void vAFunction( void )

{

TaskHandle_t xHandle;

UBaseType_t uxCoreAffinityMask;



    /* Create a task, storing the handle. */

    xTaskCreate( vTaskCode, "NAME", STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, &( xHandle ) );



    /* Define the core affinity mask such that this task can only run on core 0


     * and core 2. */

    uxCoreAffinityMask = ( ( 1 << 0 ) | ( 1 << 2 ) );



    /* Set the core affinity mask for the task. */

    vTaskCoreAffinitySet( xHandle, uxCoreAffinityMask );

}

vTaskCoreAffinityGet

UBaseType_t vTaskCoreAffinityGet( const TaskHandle_t xTask ); 

configUSE_CORE_AFFINITY 必须定义为 1，才可使用此函数。

设置任务的内核关联掩码，即可以运行任务的内核。

参数：

• xTask：内核关联掩码所要执行任务的句柄。传递 NULL 将为 调用任务设置内核关联掩码。

返回：

• 内核关联掩码，指示可以 运行任务的内核的按位值。内核编号从 0 到 (configNUMBER_OF_CORES - 1)。 例如，如果任务可以在内核 0 和内核 1 上运行，则内核关联掩码 为 0x03。

用法示例：

/* Task handle of the networking task - it is populated elsewhere. */

TaskHandle_t xNetworkingTaskHandle;



void vAFunction( void )

{

TaskHandle_t xHandle;

UBaseType_t uxNetworkingCoreAffinityMask;



    /* Create a task, storing the handle. */

    xTaskCreate( vTaskCode, "NAME", STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, &( xHandle ) );



    /* Get the core affinity mask for the networking task. */

    uxNetworkingCoreAffinityMask = vTaskCoreAffinityGet( xNetworkingTaskHandle );



    /* Here is a hypothetical scenario, just for the example. Assume that we


     * have 2 cores - Core 0 and core 1. We want to pin the application task to


     * the core that is not the networking task core to ensure that the


     * application task does not interfere with networking. */

    if( ( uxNetworkingCoreAffinityMask & ( 1 << 0 ) ) != 0 )

    {

        /* The networking task can run on core 0, pin our task to core 1. */

        vTaskCoreAffinitySet( xHandle, ( 1 << 1 ) );

    }

    else

    {

        /* Otherwise, pin our task to core 0. */

        vTaskCoreAffinitySet( xHandle, ( 1 << 0 ) );

    }

}

vTaskPreemptionDisable

void vTaskPreemptionDisable( const TaskHandle_t xTask ); 

configUSE_TASK_PREEMPTION_DISABLE 必须定义为 1，才可使用此函数。

禁用抢占任务。

参数：

• xTask：禁用抢占任务的句柄。传递 NULL 禁用调用任务的抢占。

用法示例：

void vTaskCode( void *pvParameters )

{

    /* Silence warnings about unused parameters. */

    ( void ) pvParameters;



    for( ;; )

    {

        /* ... Perform some function here. */



        /* Disable preemption for this task. */

        vTaskPreemptionDisable( NULL );



        /* The task will not be preempted when it is executing in this portion ... */



        /* ... until the preemption is enabled again. */

        vTaskPreemptionEnable( NULL );



        /* The task can be preempted when it is executing in this portion. */

    }

}

vTaskPreemptionEnable

void vTaskPreemptionEnable( const TaskHandle_t xTask ); 

configUSE_TASK_PREEMPTION_DISABLE 必须定义为 1，才可使用此函数。

启用抢占任务。

参数：

• xTask：启用抢占任务的句柄。传递 NULL 启用调用任务的抢占。

用法示例：

void vTaskCode( void *pvParameters )

{

    /* Silence warnings about unused parameters. */

    ( void ) pvParameters;



    for( ;; )

    {

        /* ... Perform some function here. */



        /* Disable preemption for this task. */

        vTaskPreemptionDisable( NULL );



        /* The task will not be preempted when it is executing in this portion ... */



        /* ... until the preemption is enabled again. */

        vTaskPreemptionEnable( NULL );



        /* The task can be preempted when it is executing in this portion. */

    }

}

SMP 特定钩子函数

空闲钩子函数

FreeRTOS SMP 内核有两种类型的闲置任务：

1. 空闲任务：单核 FreeRTOS 应用程序中使用的标准空闲任务。
2. 最小空闲任务：有 (configNUMBER_OF_CORES - 1) 个最小空闲任务， 这些任务在空闲内核上运行，不执行任何操作。

最小空闲任务可以选择性地调用应用程序定义的钩子 （或回调）函数，即最小空闲钩子。最小空闲任务以最低优先级运行， 只有在无较高优先级任务运行时， 这种空闲钩子函数才会运行。

只有 configUSE_MINIMAL_IDLE_HOOK 在 FreeRTOSConfig.h 中设置为 1 时，才会调用空闲钩子。设置后，应用程序必须为钩子函数 提供以下原型：

void vApplicationMinimalIdleHook( void ); 

只要最小空闲任务中的任何一个正在运行， 最小空闲任务就会重复调用最小空闲钩子函数。最重要的是，最小空闲钩子函数 不调用任何可能导致其阻塞的 API 函数。

SMP 特定配置选项

以下附加配置选项可用于 FreeRTOS-SMP 内核：

• configNUMBER_OF_CORES
• configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES
• configUSE_CORE_AFFINITY
• configUSE_TASK_PREEMPTION_DISABLE

configNUMBER_OF_CORES

设置可用的处理器内核数。

configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES

在单核 FreeRTOS 应用程序中， 如果存在能够运行的较高优先级任务，则较低优先级任务永远不会运行。 在 SMP FreeRTOS应用程序中， RTOS 内核将运行与可用内核数量一样多的任务，在一个内核上运行优先级较低的任务的同时， 较高优先级的任务可能同时 在另一个内核上运行。 如果您的应用程序或库 为单核环境编写，并且因此对任务执行的顺序做出假设， 这可能会导致问题。 因此，提供 configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES 来 控制此行为。

如果 configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES 定义 0，则多个任务 只有在具有相同优先级时才能同时运行， 保持这样的范例：如果存在能够运行的较高优先级任务，则较低优先级任务永远不会运行。 如果 configRUN_MULTIPLE_PRIORITIES 定义 1， 则具有不同优先级的多个任务可以同时运行，因此，较高和较低优先级的任务可以同时 在不同的内核上运行。

configUSE_CORE_AFFINITY

应用程序编写者可以控制任务在哪些内核上运行。 如果 configUSE_CORE_AFFINITY 定义为 1，则 vTaskCoreAffinitySet 可 控制任务在哪些内核上运行，vTaskCoreAffinityGet 可 用于查询任务在哪些内核上运行。 如果 configUSE_CORE_AFFINITY 为 0， 则 FreeRTOS 调度器可以在任何可用内核上自由运行任何任务。

configUSE_TASK_PREEMPTION_DISABLE

在单核 FreeRTOS 应用程序中，可以将 FreeRTOS 调度器配置为 抢占式或合作式——请参阅 configUSE_PREEMPTION 的定义。 在 SMP FreeRTOS 应用程序中，如果 configUSE_TASK_PREEMPTION_DISABLE 定义为 1， 则可使用 vTaskPreemptionDisable 和 vTaskPreemptionEnable API 函数将单个任务设置为抢占式或协作式。