Giới thiệu nhanh

Trong lập trình nhúng thời gian thực với hệ điều hành FreeRTOS, ngoài các nhiệm vụ (task), ngắt (interrupt), hàng đợi (queue), hoặc semaphore, còn một cơ chế đặc biệt thường ít được chú ý nhưng rất hữu ích: Idle Task Hook – hay còn gọi là hàm “móc” vào lúc CPU không có việc gì làm. Bài viết này sẽ đi sâu vào cơ chế hoạt động của Idle Hook, ứng dụng thực tế của nó, và đặc biệt là cách sử dụng một biến count trong Idle Hook để theo dõi thời gian rảnh của CPU – một kỹ thuật đơn giản mà cực kỳ mạnh mẽ để tối ưu hệ thống.

1. Idle Task là gì?

Trong FreeRTOS, hệ điều hành luôn cần một nhiệm vụ mặc định chạy khi không còn bất kỳ task nào sẵn sàng thực hiện – đó chính là Idle Task.

• Idle Task là một task hệ thống, có độ ưu tiên thấp nhất.
• Nó luôn có trạng thái “Ready” trừ khi CPU đang chạy các task khác.
• Khi CPU rảnh (không có task nào khác sẵn sàng chạy), scheduler sẽ chuyển sang thực hiện Idle Task.

Idle Hook là gì?

Idle Hook là một hàm người dùng có thể gắn vào Idle Task, để thực thi code riêng khi CPU rảnh rỗi. Khi cấu hình configUSE_IDLE_HOOK = 1 trong FreeRTOSConfig.h, hệ thống sẽ gọi hàm người dùng định nghĩa (thường là vApplicationIdleHook()) mỗi lần Idle Task chạy.

void vApplicationIdleHook(void)
{ // Đây là nơi ta thực thi code khi CPU rảnh.
}

2. Ứng dụng của Idle Hook trong thực tế

Idle Hook mang lại rất nhiều ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống nhúng, bao gồm:

2.1. Đo thời gian CPU nhàn rỗi (CPU idle time)

Đây là một trong những ứng dụng phổ biến nhất. Bằng cách đặt một biến đếm (count++) trong Idle Hook, người thiết kế có thể biết được CPU rảnh bao nhiêu phần trăm thời gian, từ đó đánh giá tải hệ thống (CPU load).

Ví dụ:

volatile uint32_t idleCounter = 0; void vApplicationIdleHook(void)
{ idleCounter++;
}

Sau một khoảng thời gian nhất định (ví dụ 1 giây), ta đọc giá trị của idleCounter để xác định mức độ bận của CPU:

• Nếu idleCounter rất cao ⇒ CPU gần như luôn rảnh ⇒ Hệ thống nhẹ.
• Nếu idleCounter thấp ⇒ CPU bị bận ⇒ Cần tối ưu hoặc nâng cấp phần cứng.

Lưu ý: Việc đếm này chỉ có ý nghĩa khi kết hợp với một bộ đo thời gian chính xác (ví dụ sử dụng Timer hoặc Ticker để đo idleCounter trong 1 giây).

2.2. Đưa vi điều khiển vào chế độ Sleep hoặc Low Power

Idle Hook cũng là vị trí lý tưởng để đưa hệ thống vào chế độ tiết kiệm năng lượng:

void vApplicationIdleHook(void)
{ // Cho phép vào chế độ sleep nếu không có việc gì __WFI(); // Wait For Interrupt
}

Việc cho vi điều khiển ngủ khi rảnh là thiết yếu trong các ứng dụng IoT, wearable, thiết bị pin, cảm biến không dây…

2.3. Kiểm tra lỗi logic (Sanity check)

Idle Hook cũng có thể dùng để kiểm tra các điều kiện an toàn:

void vApplicationIdleHook(void)
{ if (xQueueIsQueueFullFromISR(myQueue)) { // Cảnh báo: queue không bao giờ được xử lý! }
}

2.4. Xử lý nền (background task nhẹ)

Một số công việc nhẹ, không quan trọng có thể đưa vào đây: xóa bộ nhớ, lưu log, kiểm tra cảnh báo không khẩn cấp...

3. Biến count trong Idle Hook dùng để làm gì?

Biến count (thường là một biến volatile uint32_t) được sử dụng trong Idle Hook để đếm số lần Idle Task được gọi trong một khoảng thời gian.

Ý nghĩa:

• Mỗi lần Idle Task được chọn thực hiện (CPU rảnh), hàm Idle Hook được gọi.
• Mỗi lần gọi đó, biến count được tăng lên.
• Nếu trong 1 giây biến count tăng 1 triệu lần ⇒ CPU đã rảnh phần lớn thời gian đó.
• Nếu trong 1 giây biến count chỉ tăng vài trăm lần ⇒ Hệ thống rất bận.

Vì Idle Task luôn được thực thi khi không có task nào khác hoạt động, nên việc đếm số lần gọi Idle Hook giúp phản ánh mức độ sử dụng của CPU.

4. Biến count có được đếm liên tục trong 10s không?

Câu hỏi cụ thể đặt ra là: Nếu CPU rảnh trong 10 giây, biến count có được đếm liên tục trong 10 giây đó không? Hay chỉ tăng 1 lần duy nhất?

Câu trả lời: Được đếm liên tục!

Hàm Idle Hook được gọi liên tục bên trong vòng lặp vô hạn của Idle Task:

for( ;; )
{ if( configUSE_IDLE_HOOK == 1 ) { vApplicationIdleHook(); }
}

Tức là: Nếu CPU không bận (không có task nào ở trạng thái Ready cao hơn Idle), thì scheduler sẽ để Idle Task chạy, và Idle Hook sẽ được gọi liên tục với tốc độ nhanh nhất có thể (tùy tần số CPU và độ dài hàm hook).

Minh họa:

volatile uint32_t idleCount = 0;
void vApplicationIdleHook(void)
{ idleCount++;
}

Giả sử bạn có một Timer gọi mỗi 1 giây:

void check_idle(void)
{ printf("Idle Count = %lu\n", idleCount); idleCount = 0; // Reset để đo tiếp cho chu kỳ tiếp theo
}

• Nếu hệ thống rảnh hoàn toàn, idleCount có thể là vài triệu trong 1 giây.
• Nếu hệ thống chạy nhiều task, idleCount sẽ giảm.

Như vậy, nếu CPU rảnh 10 giây liên tục ⇒ Idle Hook được gọi hàng triệu lần trong 10 giây đó ⇒ biến count tăng liên tục (không phải chỉ 1 lần).

5. Một ví dụ hoàn chỉnh

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <stdio.h> volatile uint32_t idleCounter = 0; void vApplicationIdleHook(void)
{ idleCounter++;
} void vMonitorCPULoad(void *pvParameters)
{ while (1) { uint32_t lastCount = idleCounter; idleCounter = 0; // Đợi 1000 ms vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); uint32_t currentCount = idleCounter; printf("Idle Hook called %lu times in 1s\n", currentCount); }
} int main(void)
{ xTaskCreate(vMonitorCPULoad, "Monitor", 256, NULL, 1, NULL); vTaskStartScheduler(); while (1);
}

6. Lưu ý khi sử dụng Idle Hook

• Không nên đặt các tác vụ nặng trong Idle Hook, vì nó sẽ làm trễ việc xử lý các task khác.
• Nếu sử dụng sleep (__WFI) trong Idle Hook, hãy đảm bảo không ảnh hưởng đến cơ chế hẹn giờ (tick).
• Tránh việc block trong Idle Hook (gọi hàm có vTaskDelay, xQueueReceive… với block).

7. Kết luận

Idle Hook là một công cụ cực kỳ hữu dụng trong FreeRTOS để giám sát trạng thái rảnh của CPU, thực hiện tác vụ nền hoặc tiết kiệm năng lượng. Việc đặt biến count trong Idle Hook cho phép người thiết kế đo lường trực tiếp mức độ bận của hệ thống một cách chính xác và định lượng. Khi CPU rảnh 10 giây, thì hàm Idle Hook sẽ được gọi hàng triệu lần trong 10 giây đó, giúp ta đánh giá được hiệu suất thực sự của hệ thống. Đây là một trong những kỹ thuật đơn giản nhưng quan trọng trong thiết kế hệ thống nhúng thời gian thực.

Sơ đồ minh họa

+------------------+ +----------------------+
| Task A (Ready) | ---------->| Scheduler chọn A |
+------------------+ +----------------------+ +------------------+ +----------------------+
| Không task nào | | Scheduler chọn Idle |
| đang Ready | ---------->| Task (gọi Idle Hook) |
+------------------+ +----------------------+ +---------------------------+
| vApplicationIdleHook() |
| - Đếm số lần được gọi |
| - Đưa hệ thống vào sleep |
| - Ghi log nhẹ |
+---------------------------+

Nếu bạn đang thiết kế hệ thống sử dụng FreeRTOS hoặc một RTOS tương tự, đừng bỏ qua Idle Hook – đó là công cụ quan sát rất mạnh, vừa tiết kiệm, vừa hiệu quả.