FreeRTOS系列|多任务调度

2023-05-16

1. 多任务启动流程

多任务启动流程如下表所示

启动后以下各函数由上至下依次执行	含义
osKernelStart()	启动内核
vTaskStartScheduler()	启动任务调度器
xPortStartScheduler()	启动调度器
prvStartFirstTask()	启动第一个任务
SVC	调用SVC中断

2. 源码分析

启动任务调度器

void vTaskStartScheduler( void ){
  BaseType_t xReturn;
  /* Add the idle task at the lowest priority. */
  #if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1){
  }
  #else{
	/* 动态创建空闲任务 */
	xReturn = xTaskCreate(prvIdleTask,
						  "IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,
						  (void *) NULL,
						  (tskIDLE_PRIORITY|portPRIVILEGE_BIT),
						  &xIdleTaskHandle); 
  }
  #endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */

  if(xReturn == pdPASS){
	/* 关闭中断 */
	portDISABLE_INTERRUPTS();  		
	/* 下一个任务锁定时间赋值为最大,其实就是时间片调度，不让其进行调度 */
	#define portMAX_DELAY ( TickType_t ) 0xffffffffUL
	xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
	/* 调度器的运行状态置位，标记开始运行了 */
	xSchedulerRunning = pdTRUE;
	/* 初始化系统的节拍值为0 */
	xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
	/* 启动调度器 */
	if(xPortStartScheduler() != pdFALSE){
	  //如果调度器启动成功就不会执行到这里，所以没有代码
	}
	else{
	  //不会执行到这里，所以没有代码
	}
  }
  else{
	//运行到这里说明系统内核没有启动成功，空闲任务创建失败	
  }
}

启动调度器：FreeRTOS系统时钟是由滴答定时器来提供，任务切换也会用到PendSV中断，这些硬件的初始化在这里完成

BaseType_t xPortStartScheduler( void ){
  /* 为了保证系统的实时性,配置systick和pendsv为最低的优先级 */
  portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
  portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
  /* 配置滴答定时器systick的定时周期，并开启systick中断 */
  vPortSetupTimerInterrupt();
  /* 初始化临界段嵌套计数器 */
  uxCriticalNesting = 0;
  /* 启动第一个任务 */
  prvStartFirstTask();
  /* 代码正常执行的话不会到这里! */
  return 0;
}

启动第一个任务：用于启动第一个任务，是一个汇编函数

__asm void prvStartFirstTask( void ){
  PRESERVE8	//8字节对齐，AAPCS的标准，ARM特有
  /* 将0xE000ED08保存在寄存器R0中；它是中断向量表的一个地址，
     存储的是MSP的指针，最终获取到MSP的RAM的地址 */
  ldr r0, =0xE000ED08
  ldr r0, [r0]	//取R0保存的地址处的值赋给R0
  ldr r0, [r0]	//获取MSP初始值
  /* 重新把MSP的地址，赋值为MSP，相当于复位MSP	*/
  msr msp, r0
  /* 开启全局中断 */
  cpsie i	//使能中断
  cpsie f	//使能中断
  dsb		//数据同步屏障
  isb		//指令同步屏障
  /* 调用SVC  */
  svc 0
  nop
  nop
}

调用SVC中断：在prvStartFirstTask()中通过调用SVC指令触发了SVC中断，而第一个任务的启动就是在SVC中断服务函数中完成的

__asm void vPortSVCHandler(void){
  PRESERVE8//8字节对齐

  /* 获取当前任务控制块 */
  ldr	r3, =pxCurrentTCB
  ldr r1, [r3]	//
  ldr r0, [r1]	//
  /* 出栈内核寄存器,R14其实就是异常返回值 */
  ldmia r0!, {r4-r11, r14}
  /* 进程栈指针PSP设置为任务的堆栈 */
  msr psp, r0
  isb	//指令同步屏障
  /* 把basepri赋值为0，即打开屏蔽中断 */
  mov r0, #0
  msr basepri, r0
  /* 异常退出 */
  bx r14
}

3. 任务切换

3.1 任务切换场合

RTOS系统的核心是任务管理，而任务管理的核心是任务切换，任务切换决定了任务的执行顺序。上下文(任务)切换被触发的场合可以是

系统滴答定时器(SysTick)中断
执行一个系统调用

典型的嵌入式OS系统中，处理器被划分为多个时间片。若系统中只有两个任务，这两个任务会交替执行，任务切换都是在SysTick中断中执行，如下图示：
在这里插入图片描述
在一些OS设计中,为了解决SysTick和IRQ的冲突问题，PendSV异常将上下文切换请求延迟到所有其他IRQ处理都已经完成后，在PendSV异常内执行上下文切换。如下图示：

在这里插入图片描述
PendSV(可挂起的系统调用)异常对OS操作非常重要，其优先级可通过编程设置。可通过将中断控制和状态寄存器ICSR的bit28(挂起位)置1来触发PendSV中断。上面提到过上下文切换被触发的两个场合：SysTick中断和执行一个系统调用，其源码分析如下：

SysTick中断

//滴答定时器中断服务函数
void SysTick_Handler(void){
  if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED){ //系统已经运行
	xPortSysTickHandler();
  }
}

void xPortSysTickHandler( void ){
  vPortRaiseBASEPRI();	//关闭中断
  {
	if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ){ //增加时钟计数器xTickCount的值						
	  /* 通过向中断控制和状态寄存器的bit28位写入1挂起PendSV来启动PendSV中断 */
	  portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; 
	}
  }
  vPortClearBASEPRIFromISR();	//打开中断
}

执行一个系统调用

//以任务切换函数taskYIELD()为例
#define taskYIELD()  portYIELD()
#define portYIELD() 
{ 
  /* 通过向中断控制和状态寄存器的bit28位写入1挂起PendSV来启动PendSV中断 */
  portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; 
  __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE ); 
  __isb( portSY_FULL_READ_WRITE ); 
}

3.2 PendSV中断服务函数

FreeRTOS任务切换的具体过程是在PendSV中断服务函数中完成的，下面分析PendSV中断服务函数源码，看看切换过程是如何进行的

__asm void xPortPendSVHandler( void ){
  extern uxCriticalNesting;
  extern pxCurrentTCB;
  extern vTaskSwitchContext;

  PRESERVE8

  mrs r0, psp
  isb
  /* 获取当前任务控制块，其实就获取任务栈顶 */
  ldr	r3, =pxCurrentTCB
  ldr	r2, [r3]
  /* 浮点数处理，如果使能浮点数，就需要入栈 */
  tst r14, #0x10
  it eq
  vstmdbeq r0!, {s16-s31}
  /* 保存内核寄存器---调用者需要做的 */
  stmdb r0!, {r4-r11, r14}
  /* 保存当前任务栈顶,把栈顶指针入栈 */
  str r0, [r2]
  stmdb sp!, {r3}
  /* 使能可屏蔽的中断-----临界段 */
  mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
  msr basepri, r0
  dsb
  isb
  /* 执行上线文切换 */
  bl vTaskSwitchContext
  /* 使能可屏蔽的中断 */
  mov r0, #0
  msr basepri, r0
  /* 恢复任务控制块指向的栈顶 */
  ldmia sp!, {r3}
  /* 获取当前栈顶 */
  ldr r1, [r3]
  ldr r0, [r1]
  /* 出栈*/
  ldmia r0!, {r4-r11, r14}
  /* 出栈*/
  tst r14, #0x10
  it eq
  vldmiaeq r0!, {s16-s31}
  /* 更新PSP指针 */
  msr psp, r0
  isb
  /* 异常返回，下面要执行的代码，就是要切换的任务代码了 */
  bx r14
  nop
  nop
}

在PendSV中断服务函数中有调用函数vTaskSwitchContext来获取下一个要运行的任务，其源码如下

void vTaskSwitchContext( void ){
  if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE ){
	/* 标记调度器状态*/
	xYieldPending = pdTRUE;
  }
  else{
	/* 标记调度器状态*/
	xYieldPending = pdFALSE;
	/* 检查任务栈是否溢出 */
	taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();
	/* 选择优先级最高的任务，把当前的任务控制块进行赋值 */
	taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
  }
}

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