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FreeRTOS進階系統(tǒng)節(jié)拍時鐘示例的完全解析

 更新時間:2022年04月08日 17:19:27   作者:zhzht19861011  
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS進階系統(tǒng)節(jié)拍時鐘示例的完全解析,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪

前言

操作系統(tǒng)的運行是由系統(tǒng)節(jié)拍時鐘驅動的。

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)。比如設置宏configTICK_RATE_HZ為100,則系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為10ms,設置宏configTICK_RATE_HZ為1000,則系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為1ms。

系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務程序會調用函數xTaskIncrementTick()來完成主要工作,如果該函數返回值為真(不等于pdFALSE),說明處于就緒態(tài)任務的優(yōu)先級比當前運行的任務優(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xTaskIncrementTick()做了哪些事情,以及什么情況下返回真值。

1.調度器正常情況

調度器正常(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,記錄調度器運行狀態(tài)。當調用API函數vTaskSuspendAll()掛起調度器時,會將變量uxSchedulerSuspended增1。所以變量uxSchedulerSuspended為真時,表示調度器被掛起。

調度器正常情況下,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。內核會將所有阻塞的任務跟這個變量比較,以判斷是否超時(超時意味著可以解除阻塞)。

變量xTickCount的數據類型跟具體硬件有關,32位架構硬件一般是無符號32位變量、8位或16位架構一般是無符號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vTaskDelay(xTicksToDelay)將任務延時xTicksToDelay個系統(tǒng)節(jié)拍周期,延時函數會以當前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數xTickCount為參考,這個值加上參數規(guī)定的延時時間xTicksToDelay,即xTickCount+ xTicksToDelay,就是下次喚醒任務的時間。

xTickCount+xTicksToDelay會被記錄到任務TCB中,隨著任務一起掛接到延時列表。如果內核判斷出xTickCount+ xTicksToDelay溢出(大于32位可以表示的最大值),就將當前任務掛接到列表指針pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中,否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。任務按照延時時間,順序的插入到延時列表中。

所以當系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數計數器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。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;第二是調用函數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是否到期時,會用到這個變量。
接下來函數會檢查延時列表,查看延時的任務是否到期。前面我們說過,延時的任務根據延時時間先后,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的時間數值保存在變量xNextTaskUnblockTime中。所以使用xTickCount與xNextTaskUnblockTime比較就可以知道是否有任務可以被喚醒。

if( xConstTickCount >=xNextTaskUnblockTime )
{
   /* 延時的任務到期,需要被喚醒 */
}

如果任務被喚醒,則將任務從延時列表中刪除,重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務優(yōu)先級大于當前任務優(yōu)先級,則會觸發(fā)一次上下文切換。

FreeRTOS支持多個任務共享同一個優(yōu)先級,如果設置為搶占式調度(宏configUSE_PREEMPTION設置為1)并且宏configUSE_TIME_SLICING也為1(或未定義),則相同優(yōu)先級的多個任務間進行任務切換。

最后還會調用時間片鉤子函數vApplicationTickHook()??梢钥吹綍r間片鉤子函數實在中斷服務函數中調用的,所以這個鉤子函數必須簡潔、不可以調用不帶中斷保護的API函數。

2.調度器掛起情況

如果調度器掛起,正在執(zhí)行的任務會一直繼續(xù)執(zhí)行,內核不再調度(意味著當前任務不會被切換出去),直到該任務調用了xTaskResumeAll()函數。

在調度器掛起階段內,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。當調用恢復調度器函數xTaskResumeAll()時,會執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(xTaskIncrementTick())。變量uxPendedTicks同樣是在tasks.c中定義的。

3.自動任務切換

函數的最后幾行代碼頗讓人難以理解,其中局部變量xSwitchRequired是本函數的返回值,在文章開始也說過:“如果該函數返回值為真,說明處于就緒態(tài)任務的優(yōu)先級高于當前運行任務的優(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,函數結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,都會有一個參數pxHigherPriorityTaskWoken。如果API函數導致一個任務解鎖,并且解鎖的任務優(yōu)先級高于當前運行的任務,則API函數將*pxHigherPriorityTaskWoken設置成pdTRUE。在中斷退出前,老版本的FreeRTOS需要手動觸發(fā)一次任務切換。比如在FreeRTOS使用任務通知實現(xiàn)命令行解釋器一文中,我們在串口接收中斷中調用了帶中斷保護的API函數vTaskNotifyGiveFromISR(),在函數執(zhí)行完后,會使用代碼portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken)判斷參數xHigherPriorityTaskWoken是否為真,為真則手動強制上下文切換。

   BaseType_txHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;        
   /*收到一幀數據,向命令行解釋器任務發(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,并可以設置為NULL。如果將參數xHigherPriorityTaskWoken設置為NULL,并且?guī)е袛啾Wo的API函數導致更高優(yōu)先級任務解鎖,任務什么時候、怎么切換呢?

原來從FreeRTOSV7.3.0起,內核增加了一個靜態(tài)變量xYieldPending,這個變量也是在tasks.c中定義的。如果將變量xYieldPending設置為pdTRUE,則會在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務函數中,觸發(fā)一次任務切換,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,在中斷服務程序中調用了這些API函數,將任務從阻塞中解除,則需要調用函數xTaskRemoveFromEventList()將任務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,會判斷解除的任務優(yōu)先級是否大于當前任務的優(yōu)先級,如果解除的任務優(yōu)先級更高,會將變量xYieldPending設置為pdTRUE。在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務函數中,觸發(fā)一次任務切換。代碼如下所示:

  if(pxUnblockedTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority)
 {
      /*任務具有更高的優(yōu)先級,返回pdTRUE。告訴調用這個函數的任務,它需要強制切換上下文。*/
      xReturn= pdTRUE;
      /*帶中斷保護的API函數的都會有一個參數參數"xHigherPriorityTaskWoken",如果用戶沒有使用這個參數,這里設置任務切換標志。在下個系統(tǒng)中斷服務例程中,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新推出的任務通知,也提供了帶中斷保護版本的API函數。按照邏輯推斷,這些API函數的參數xHigherPriorityTaskWoken也可以不使用,變量xYieldPending也應該作用于這些API函數。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函數解除了一個更高優(yōu)先級任務,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,已經修復了這個問題,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)先級的任務解鎖,API函數會判斷參數xHigherPriorityTaskWoken是否有效,有效則將*xHigherPriorityTaskWoken設置為pdTRUE,此時需要手動切換上下文;否則,將變量xYieldPending設置為pdTRUE,在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務函數中,觸發(fā)一次任務切換。代碼如下所示:

if( pxTCB->uxPriority >pxCurrentTCB->uxPriority ) 
{ 
         /*如果解除阻塞的任務優(yōu)先級大于當前任務優(yōu)先級,則設置上下文切換標識,等退出函數后手動切換上下文,或者在系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務程序中自動切換上下文*/ 
         if(pxHigherPriorityTaskWoken != NULL ) 
         { 
                   *pxHigherPriorityTaskWoken= pdTRUE;    /* 設置手動切換標志*/ 
         } 
         else 
         { 
                   xYieldPending= pdTRUE;                 /* 設置自動切換標志*/ 
         } 
}

函數xTaskIncrementTick()完整代碼如下所示,根據上面的講解以及代碼的注釋,理解這些代碼應該不是難事。

BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t * pxTCB;
TickType_t xItemValue;
BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;
    /* 每當系統(tǒng)節(jié)拍定時器中斷發(fā)生,移植層都會調用該函數.函數將系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數器加1,
       然后檢查新的系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數器值是否解除某個任務.*/
    if(uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
    {   /* 調度器正常情況 */
        const TickType_txConstTickCount = xTickCount + 1;
        /* 系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數器加1,如果計數器溢出(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到期.任務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沒有到期,其它任務一定沒有到期.*/
        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 )
                    {
                        /* 任務還未到解除阻塞時間?將當前任務喚醒時間設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 */
                    ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
                    /* 是因為等待事件而阻塞?是的話將到期任務從事件列表中刪除 */
                    if(listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL )
                    {
                        ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );
                    }
                    /* 將解除阻塞的任務放入就緒列表 */
                   prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
 
                    #if (  configUSE_PREEMPTION == 1 )
                    {
                        /* 使能了搶占式內核.如果解除阻塞的任務優(yōu)先級大于當前任務,觸發(fā)一次上下文切換標志 */
                        if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority )
                        {
                            xSwitchRequired= pdTRUE;
                        }
                    }
                    #endif /*configUSE_PREEMPTION */
                }
            }
        }
        /* 如果有其它任務與當前任務共享一個優(yōu)先級,則這些任務共享處理器(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 )
        {
            /* 調用時間片鉤子函數*/
            if( uxPendedTicks == ( UBaseType_t ) 0U )
            {
                vApplicationTickHook();
            }
        }
        #endif /*configUSE_TICK_HOOK */
    }
    else
    {   /* 調度器掛起狀態(tài),變量uxPendedTicks用于統(tǒng)計調度器掛起期間,系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數.
           當調用恢復調度器函數時,會執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(xTaskIncrementTick()):
           恢復系統(tǒng)節(jié)拍中斷計數器,如果有任務阻塞到期,則刪除阻塞狀態(tài) */
        ++uxPendedTicks;
 
        /* 調用時間片鉤子函數*/
        #if (configUSE_TICK_HOOK == 1 )
        {
            vApplicationTickHook();
        }
        #endif
    }
    #if (configUSE_PREEMPTION == 1 )
    {   /* 如果在中斷中調用的API函數喚醒了更高優(yōu)先級的任務,并且API函數的參數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容,更多關于FreeRTOS進階系統(tǒng)節(jié)拍時鐘的資料請關注腳本之家其它相關文章!

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