FreeRTOS進階系統(tǒng)節(jié)拍時鐘示例的完全解析
前言
操作系統(tǒng)的運行是由系統(tǒng)節(jié)拍時鐘驅(qū)動的。
在FreeRTOS中,我們知道系統(tǒng)延時和阻塞時間都是以系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為單位。在配置文件FreeRTOSConfig.h,改變宏configTICK_RATE_HZ的值,可以改變系統(tǒng)節(jié)拍時鐘的中斷頻率,也間接的改變了系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期(T=1/f)。比如設(shè)置宏configTICK_RATE_HZ為100,則系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為10ms,設(shè)置宏configTICK_RATE_HZ為1000,則系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為1ms。
系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)程序會調(diào)用函數(shù)xTaskIncrementTick()來完成主要工作,如果該函數(shù)返回值為真(不等于pdFALSE),說明處于就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級比當(dāng)前運行的任務(wù)優(yōu)先級高。這會觸發(fā)一次PendSV中斷,進行上下文切換。我們重點看一下函數(shù)xTaskIncrementTick()做了哪些事情,以及什么情況下返回真值。
1.調(diào)度器正常情況
調(diào)度器正常(沒有掛起),即變量uxSchedulerSuspended的值為pdFALSE。變量uxSchedulerSuspended是定義在tasks.c文件中的靜態(tài)變量,記錄調(diào)度器運行狀態(tài)。當(dāng)調(diào)用API函數(shù)vTaskSuspendAll()掛起調(diào)度器時,會將變量uxSchedulerSuspended增1。所以變量uxSchedulerSuspended為真時,表示調(diào)度器被掛起。
調(diào)度器正常情況下,首先將變量xTickCount增1。變量xTickCount也是在tasks.c文件中定義的靜態(tài)變量,它在啟動調(diào)度器時被清零,在每次系統(tǒng)節(jié)拍時鐘發(fā)生中斷后加1,用來記錄系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷的次數(shù)。內(nèi)核會將所有阻塞的任務(wù)跟這個變量比較,以判斷是否超時(超時意味著可以解除阻塞)。
變量xTickCount的數(shù)據(jù)類型跟具體硬件有關(guān),32位架構(gòu)硬件一般是無符號32位變量、8位或16位架構(gòu)一般是無符號16位變量。即便是32位變量,xTickCount累加到0xFFFFFFFF后也會溢出。因此,在程序中要判斷變量xTickCount是否溢出。如果溢出(xTickCount為0),則調(diào)用宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()交換延時列表指針和溢出延時列表指針。這個牽扯的有點廣,我們慢慢說明。
為了解決xTickCount溢出問題,F(xiàn)reeRTOS使用了兩個延時列表:xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2。并使用延時列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時列表指針pxOverflowDelayedTaskList分別指向上面的延時列表1和延時列表2(在創(chuàng)建任務(wù)時將延時列表指針指向延時列表)。順便說一下,上面的兩個延時列表指針變量和兩個延時列表變量都是在tasks.c中定義的靜態(tài)局部變量。
比如我們使用API延時函數(shù)vTaskDelay(xTicksToDelay)將任務(wù)延時xTicksToDelay個系統(tǒng)節(jié)拍周期,延時函數(shù)會以當(dāng)前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)xTickCount為參考,這個值加上參數(shù)規(guī)定的延時時間xTicksToDelay,即xTickCount+ xTicksToDelay,就是下次喚醒任務(wù)的時間。
xTickCount+xTicksToDelay會被記錄到任務(wù)TCB中,隨著任務(wù)一起掛接到延時列表。如果內(nèi)核判斷出xTickCount+ xTicksToDelay溢出(大于32位可以表示的最大值),就將當(dāng)前任務(wù)掛接到列表指針pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中,否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。任務(wù)按照延時時間,順序的插入到延時列表中。
所以當(dāng)系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)計數(shù)器xTickCount溢出時,必須將延時列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換以便正確處理延時的任務(wù)。宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()的代碼如下所示:
#definetaskSWITCH_DELAYED_LISTS() \ { \ List_t *pxTemp \ \ /* The delayed tasks list should beempty when the lists are switched. */ \ configASSERT( ( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList) ) ); \ \ pxTemp = pxDelayedTaskList; \ pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList; \ pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp; \ xNumOfOverflows++; \ prvResetNextTaskUnblockTime \ }
這段代碼完成兩部分工作,第一是將延時列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換;第二是調(diào)用函數(shù)prvResetNextTaskUnblockTime()重新獲取下一次解除阻塞的時間,這個時間保存在靜態(tài)變量xNextTaskUnblockTime中,該變量也是定義在tasks.c中。下面檢查延時列表任務(wù)是否到期時,會用到這個變量。
接下來函數(shù)會檢查延時列表,查看延時的任務(wù)是否到期。前面我們說過,延時的任務(wù)根據(jù)延時時間先后,順序的插入到延時列表中,延時時間短的在前,延時時間長的在后,并且下一個要被喚醒任務(wù)的時間數(shù)值保存在變量xNextTaskUnblockTime中。所以使用xTickCount與xNextTaskUnblockTime比較就可以知道是否有任務(wù)可以被喚醒。
if( xConstTickCount >=xNextTaskUnblockTime ) { /* 延時的任務(wù)到期,需要被喚醒 */ }
如果任務(wù)被喚醒,則將任務(wù)從延時列表中刪除,重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級,則會觸發(fā)一次上下文切換。
FreeRTOS支持多個任務(wù)共享同一個優(yōu)先級,如果設(shè)置為搶占式調(diào)度(宏configUSE_PREEMPTION設(shè)置為1)并且宏configUSE_TIME_SLICING也為1(或未定義),則相同優(yōu)先級的多個任務(wù)間進行任務(wù)切換。
最后還會調(diào)用時間片鉤子函數(shù)vApplicationTickHook()??梢钥吹綍r間片鉤子函數(shù)實在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用的,所以這個鉤子函數(shù)必須簡潔、不可以調(diào)用不帶中斷保護的API函數(shù)。
2.調(diào)度器掛起情況
如果調(diào)度器掛起,正在執(zhí)行的任務(wù)會一直繼續(xù)執(zhí)行,內(nèi)核不再調(diào)度(意味著當(dāng)前任務(wù)不會被切換出去),直到該任務(wù)調(diào)用了xTaskResumeAll()函數(shù)。
在調(diào)度器掛起階段內(nèi),F(xiàn)reeRTOS使用靜態(tài)變量uxPendedTicks記錄掛起期間,系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)。當(dāng)調(diào)用恢復(fù)調(diào)度器函數(shù)xTaskResumeAll()時,會執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(shù)(xTaskIncrementTick())。變量uxPendedTicks同樣是在tasks.c中定義的。
3.自動任務(wù)切換
函數(shù)的最后幾行代碼頗讓人難以理解,其中局部變量xSwitchRequired是本函數(shù)的返回值,在文章開始也說過:“如果該函數(shù)返回值為真,說明處于就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級高于當(dāng)前運行任務(wù)的優(yōu)先級,則會觸發(fā)一次PendSV中斷,進行上下文切換”,現(xiàn)在如果變量xYieldPending為真,則返回值也會為真,函數(shù)結(jié)束后會進行上下文切換。這個變量xYieldPending的作用是什么?又是在什么時候被賦值為真呢?還真要從頭說起。
if( xYieldPending != pdFALSE ) { xSwitchRequired = pdTRUE; }
帶中斷保護的API函數(shù),都會有一個參數(shù)pxHigherPriorityTaskWoken。如果API函數(shù)導(dǎo)致一個任務(wù)解鎖,并且解鎖的任務(wù)優(yōu)先級高于當(dāng)前運行的任務(wù),則API函數(shù)將*pxHigherPriorityTaskWoken設(shè)置成pdTRUE。在中斷退出前,老版本的FreeRTOS需要手動觸發(fā)一次任務(wù)切換。比如在FreeRTOS使用任務(wù)通知實現(xiàn)命令行解釋器一文中,我們在串口接收中斷中調(diào)用了帶中斷保護的API函數(shù)vTaskNotifyGiveFromISR(),在函數(shù)執(zhí)行完后,會使用代碼portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken)判斷參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken是否為真,為真則手動強制上下文切換。
BaseType_txHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE; /*收到一幀數(shù)據(jù),向命令行解釋器任務(wù)發(fā)送通知*/ vTaskNotifyGiveFromISR(xCmdAnalyzeHandle,&xHigherPriorityTaskWoken); /*是否需要強制上下文切換*/ portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken );
從FreeRTOSV7.3.0起,pxHigherPriorityTaskWoken成為一個可選參數(shù),并可以設(shè)置為NULL。如果將參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken設(shè)置為NULL,并且?guī)е袛啾Wo的API函數(shù)導(dǎo)致更高優(yōu)先級任務(wù)解鎖,任務(wù)什么時候、怎么切換呢?
原來從FreeRTOSV7.3.0起,內(nèi)核增加了一個靜態(tài)變量xYieldPending,這個變量也是在tasks.c中定義的。如果將變量xYieldPending設(shè)置為pdTRUE,則會在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中,觸發(fā)一次任務(wù)切換,見本小節(jié)第一段代碼描述。
讓我們看一下這個過程是如何實現(xiàn)的。
對于隊列以及使用隊列機制的信號量、互斥量等,在中斷服務(wù)程序中調(diào)用了這些API函數(shù),將任務(wù)從阻塞中解除,則需要調(diào)用函數(shù)xTaskRemoveFromEventList()將任務(wù)的事件列表項從事件列表中移除。在移除事件列表項的過程中,會判斷解除的任務(wù)優(yōu)先級是否大于當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級,如果解除的任務(wù)優(yōu)先級更高,會將變量xYieldPending設(shè)置為pdTRUE。在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中,觸發(fā)一次任務(wù)切換。代碼如下所示:
if(pxUnblockedTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority) { /*任務(wù)具有更高的優(yōu)先級,返回pdTRUE。告訴調(diào)用這個函數(shù)的任務(wù),它需要強制切換上下文。*/ xReturn= pdTRUE; /*帶中斷保護的API函數(shù)的都會有一個參數(shù)參數(shù)"xHigherPriorityTaskWoken",如果用戶沒有使用這個參數(shù),這里設(shè)置任務(wù)切換標志。在下個系統(tǒng)中斷服務(wù)例程中,會檢查xYieldPending的值,如果為pdTRUE則會觸發(fā)一次上下文切換。*/ xYieldPending= pdTRUE; }
對于FreeRTOSV8.2.0新推出的任務(wù)通知,也提供了帶中斷保護版本的API函數(shù)。按照邏輯推斷,這些API函數(shù)的參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken也可以不使用,變量xYieldPending也應(yīng)該作用于這些API函數(shù)。但事實是,在FreeRTOSV9.0之前的版本,F(xiàn)reeRTOS都沒有實現(xiàn)這個功能,如果使用這些API函數(shù)解除了一個更高優(yōu)先級任務(wù),必須手動的進行上下文切換。這可能是一個BUG,因為在FreeRTOS V9.0版本中,已經(jīng)修復(fù)了這個問題,可以使用變量xYieldPending自動切換上下文。這個BUG由QQ昵稱為“所長”的網(wǎng)友遇到。
在V9.0以及以上版本中,如果在中斷中釋放的通知引起更高優(yōu)先級的任務(wù)解鎖,API函數(shù)會判斷參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken是否有效,有效則將*xHigherPriorityTaskWoken設(shè)置為pdTRUE,此時需要手動切換上下文;否則,將變量xYieldPending設(shè)置為pdTRUE,在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中,觸發(fā)一次任務(wù)切換。代碼如下所示:
if( pxTCB->uxPriority >pxCurrentTCB->uxPriority ) { /*如果解除阻塞的任務(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級,則設(shè)置上下文切換標識,等退出函數(shù)后手動切換上下文,或者在系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)程序中自動切換上下文*/ if(pxHigherPriorityTaskWoken != NULL ) { *pxHigherPriorityTaskWoken= pdTRUE; /* 設(shè)置手動切換標志*/ } else { xYieldPending= pdTRUE; /* 設(shè)置自動切換標志*/ } }
函數(shù)xTaskIncrementTick()完整代碼如下所示,根據(jù)上面的講解以及代碼的注釋,理解這些代碼應(yīng)該不是難事。
BaseType_t xTaskIncrementTick( void ) { TCB_t * pxTCB; TickType_t xItemValue; BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE; /* 每當(dāng)系統(tǒng)節(jié)拍定時器中斷發(fā)生,移植層都會調(diào)用該函數(shù).函數(shù)將系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數(shù)器加1, 然后檢查新的系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數(shù)器值是否解除某個任務(wù).*/ if(uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE ) { /* 調(diào)度器正常情況 */ const TickType_txConstTickCount = xTickCount + 1; /* 系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數(shù)器加1,如果計數(shù)器溢出(為0),交換延時列表指針和溢出延時列表指針 */ xTickCount = xConstTickCount; if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U ) { taskSWITCH_DELAYED_LISTS(); } /* 查看是否有延時任務(wù)到期.任務(wù)按照喚醒時間的先后順序存儲在隊列中,這意味著只要隊列中的最先喚醒任務(wù)沒有到期,其它任務(wù)一定沒有到期.*/ if( xConstTickCount >=xNextTaskUnblockTime ) { for( ;; ) { if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList) != pdFALSE ) { /* 如果延時列表為空,設(shè)置xNextTaskUnblockTime為最大值 */ xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; break; } else { /* 如果延時列表不為空,獲取延時列表第一個列表項值,這個列表項值存儲任務(wù)喚醒時間. 喚醒時間到期,延時列表中的第一個列表項所屬的任務(wù)要被移除阻塞狀態(tài) */ pxTCB = ( TCB_t * )listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList ); xItemValue =listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) ); if( xConstTickCount < xItemValue ) { /* 任務(wù)還未到解除阻塞時間?將當(dāng)前任務(wù)喚醒時間設(shè)置為下次解除阻塞時間. */ xNextTaskUnblockTime = xItemValue; break; } /* 從阻塞列表中刪除到期任務(wù) */ ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) ); /* 是因為等待事件而阻塞?是的話將到期任務(wù)從事件列表中刪除 */ if(listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL ) { ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) ); } /* 將解除阻塞的任務(wù)放入就緒列表 */ prvAddTaskToReadyList( pxTCB ); #if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) { /* 使能了搶占式內(nèi)核.如果解除阻塞的任務(wù)優(yōu)先級大于當(dāng)前任務(wù),觸發(fā)一次上下文切換標志 */ if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority ) { xSwitchRequired= pdTRUE; } } #endif /*configUSE_PREEMPTION */ } } } /* 如果有其它任務(wù)與當(dāng)前任務(wù)共享一個優(yōu)先級,則這些任務(wù)共享處理器(時間片) */ #if ( (configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ) { if(listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ pxCurrentTCB->uxPriority ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 ) { xSwitchRequired = pdTRUE; } else { mtCOVERAGE_TEST_MARKER(); } } #endif /* ( (configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ) */ #if (configUSE_TICK_HOOK == 1 ) { /* 調(diào)用時間片鉤子函數(shù)*/ if( uxPendedTicks == ( UBaseType_t ) 0U ) { vApplicationTickHook(); } } #endif /*configUSE_TICK_HOOK */ } else { /* 調(diào)度器掛起狀態(tài),變量uxPendedTicks用于統(tǒng)計調(diào)度器掛起期間,系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù). 當(dāng)調(diào)用恢復(fù)調(diào)度器函數(shù)時,會執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(shù)(xTaskIncrementTick()): 恢復(fù)系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數(shù)器,如果有任務(wù)阻塞到期,則刪除阻塞狀態(tài) */ ++uxPendedTicks; /* 調(diào)用時間片鉤子函數(shù)*/ #if (configUSE_TICK_HOOK == 1 ) { vApplicationTickHook(); } #endif } #if (configUSE_PREEMPTION == 1 ) { /* 如果在中斷中調(diào)用的API函數(shù)喚醒了更高優(yōu)先級的任務(wù),并且API函數(shù)的參數(shù)pxHigherPriorityTaskWoken為NULL時,變量xYieldPending用于上下文切換標志 */ if( xYieldPending!= pdFALSE ) { xSwitchRequired = pdTRUE; } } #endif /*configUSE_PREEMPTION */ return xSwitchRequired; }
以上就是FreeRTOS進階系統(tǒng)節(jié)拍時鐘示例的完全解析的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于FreeRTOS進階系統(tǒng)節(jié)拍時鐘的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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