FreeRTOS 定时器精度研究

eva1

背景介绍                       
FreeRTOS 以其移植方便，高度可定制，footprint 小，使其在嵌入式操作系统中的份额不容小觑！ 尤以免费 license，颇受开发者青睐。

问题描述
客户在基于cortex-m3的平台上使用FreeRTOS系统提供的定时器功能时，意外发现定时器的精确度不够高。譬如，设置1秒钟的定时器，理论上1秒超时，并且执行相应的回调函数。但是调试却发现，有时回调函数是在1.4秒后被执行！这对于精度要求较高的实时系统，是不能接受的！

问题复现与分析
首先在stm32f407-discovery平台移植FreeRTOS，并创建一个定时器，在其回调函数里toggle led灯，并测量被执行的时间。鉴于FreeRTOS是一个多任务可抢占式系统，这个问题需要在多种情况下分析。
Case 1 :
单任务，即系统里仅有timertask和idle task。整个系统最高优先级为4，Timer task的优先级为默认优先级2。
在这种环境下，回调函数能精确的以1秒的时长超时执行回调函数。虽然此刻精度能满足要求，但是实际的系统一般会包含多个task。
以下为测试的日志，显而易见，该定时器严格1秒钟超时。
expired 1000
expired 2000
expired 3000
expired 4000
expired 5000
expired 6000
…
Case 2 :
多任务，即系统里不仅有timertask和idle task，还有用户创建的task。整个系统最高优先级为4，Timer task的优先级为默认优先级2。
以下为测试的日志。
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 1000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 3000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 4000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 5000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 6000
…
此时定时器回调函数有时能准确地被调度执行，有时则偏差较大，与期望值整整延迟了1秒钟。
Case 3 :
多任务，即系统里不仅有timer task和idle task，还有用户创建的task。整个系统最高优先级为4，Timertask的优先级为默认优先级4。这样设置优先级，是希望能通过将timer task设置为最高优先级，以期望调度器能优先调度执行timer task。
以下为实测的日志。
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 1000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 3000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 4000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 5000
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
UART Printf Example:retarget the C library printf function to the UART
expired 6000
…
虽然调整了timertask的优先级至最高，但是依然会出现严重的偏差。

解决方案   
考虑到FreeRTOS定时器的精准性不高，建议客户使用SysTick或者MCU的外设硬件定时器。