【连载】从单片机到操作系统⑥——FreeRTOS任务切换机制详解

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caijie001|  楼主 | 2018-7-14 16:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 caijie001 于 2018-8-12 10:52 编辑

大家晚上好,我是杰杰,最近挺忙的,好久没有更新了,今天周末就吐血更新一下吧!
前言
     FreeRTOS是一个是实时内核,任务是程序执行的最小单位,也是调度器处理的基本单位,移植了FreeRTOS,则避免不了对任务的管理,在多个任务运行的时候,任务切换显得尤为重要。而任务切换的效率会决定了系统的稳定性与效率。
    FreeRTOS的任务切换是干嘛的呢,rtos的实际是永远运行的是具有最高优先级的运行态任务,而那些之前在就绪态的任务怎么变成运行态使其得以运行呢,这就是我们FreeRTOS任务切换要做的事情,它要做的是找到最高优先级的就绪态任务,并且让它获得cpu的使用权,这样,它就能从就绪态变成运行态,这样子,整个系统的实时性就会很好,响应也会很好,而不会让程序阻塞卡死。
    要知道怎么实现任务切换,那就要知道任务切换的机制,在不同的cpumcu)中,触发的方式可能会不一样,现在是以Cortex-M3为例来讲讲任务的切换。为了大家能看懂本文,我就抛转引玉一下,引用《Cortex-M3权威指南-中文版》的部分语句(如涉及侵权,请联系杰杰删除)
SVC 和 PendSV
    SVC(系统服务调用,亦简称系统调用)和 PendSVPended System Call,可悬起系统调用),它们多用于在操作系统之上的软件开发中。SVC 用于产生系统函数的调用请求。例如,操作系统不让用户程序直接访问硬件,而是通过提供一些系统服务函数,用户程序使用 SVC 发出对系统服务函数的呼叫请求,以这种方法调用它们来间接访问硬件。因此,当用户程序想要控制特定的硬件时,它就会产生一个 SVC 异常,然后操作系统提供的 SVC 异常服务例程得到执行,它再调用相关的操作系统函数,后者完成用户程序请求的服务。
   另一个相关的异常是 PendSV(可悬起的系统调用),它和 SVC 协同使用。一方面,SVC异常是必须立即得到响应的(若因优先级不比当前正处理的高,或是其它原因使之无法立即
响应,将上访成硬 fault——译者注),应用程序执行 SVC 时都是希望所需的请求立即得到响应。另一方面,PendSV 则不同,它是可以像普通的中断一样被悬起的(不像 SVC 那样会上访)。OS 可以利用它“缓期执行”一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动作。悬起 PendSV 的方法是:手工往 NVIC PendSV 悬起寄存器中写 1。悬起后,如果优先级不够高,则将缓期等待执行。
    如果一个发生的异常不能被即刻响应,就称它被“悬起”(pending)。不过,少数 fault异常是不允许被悬起的。一个异常被悬起的原因,可能是系统当前正在执行一个更高优先级异常的服务例程,或者因相关掩蔽位的设置导致该异常被除能。对于每个异常源,在被悬起的情况下,都会有一个对应的“悬起状态寄存器”保存其异常请求,直到该异常能够执行为止,这与传统的 ARM 是完全不同的。在以前,是由产生中断的设备保持住请求信号。现在NVIC 的悬起状态寄存器的出现解决了这个问题,即使后来设备已经释放了请求信号,曾经的中断请求也不会错失。
系统任务切换的过程分析
   在系统中正常执行的任务(假设没有外部中断IRQ),用Systick直接做上下文切换是完全没有问题的,如图
1.png
但是问题是几乎很少嵌入式的设备会不用其丰富的中断响应,所以,直接用systick做系统的上下文切换那是不实际的,这存在很大的风险,因为假设systick打断了一个中断(IRQ),立即做出上下文切换的话,则触犯用法 fault 异常,除了重启你没有其他办法了,这样子做出来的产品就是垃圾!!用我老板的话说就是写的什么狗屎!!!如图所示
2.png
    那这么说这样不行那也不行,怎么办啊?请看看前面接介绍的PendSV,是不是有点豁然开朗了?PendSV 来完美解决这个问题。PendSV 异常会自动延迟上下文切换的请求,直到其它的 ISR 都完成了处理后才放行。为实现这个机制,需要把 PendSV 编程为最低优先级的异常。如果 OS 检测到某 IRQ 正在活动并且被 SysTick 抢占,它将悬起一个 PendSV 异常,以便缓期执行上下文切换。
   懂了吗?就是说,只要将PendSV的优先级设为最低的,systick即使是打断了IRQ,它也不会马上进行上下文切换,而是等到IRQ执行完,PendSV 服务例程才开始执行,并且在里面执行上下文切换。过程如图所示
3.png
任务切换的源码实现
过程差不多了解了,那看看FreeRTOS中怎么实现吧!!
FreeRTOS有两种方法触发任务切换:
  •   一种就是systick触发PendSV异常,这是最经常使用的。
  • 另一种是主动进行切换任务,执行系统调用,比如普通任务可以使用taskYIELD()强制任务切换,中断服务程序中使用portYIELD_FROM_ISR()强制任务切换。
先说说第一种吧,就在systick中断中调用xPortSysTickHandler();
下面是源码:
void xPortSysTickHandler( void )
{
        vPortRaiseBASEPRI();
        {
                /* Increment the RTOS tick. */
                if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
                {
                        /* A context switch is required.  Context switching is performed in
                        the PendSV interrupt.  Pend the PendSV interrupt. */
                        portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
                }
        }
        vPortClearBASEPRIFromISR();
}


     它的执行过程是这样子的,屏蔽所有中断,因为SysTick以最低的中断优先级运行,所以当这个中断执行时所有中断必须被屏蔽。vPortRaiseBASEPRI();就是屏蔽所有中断的。而且并不需要保存本次中断的值,因为systick的中断优先级是已知的,执行完直接恢复所有中断即可。
    xTaskIncrementTick()中会对tick的计数值进行自加,然后检查有没有处于就绪态的最优先级任务,如果有,则返回非零值,然后表示需要进行任务切换,而并非马上进行任务切换,此处要注意,它只是向中断状态寄存器bit28位写入1,只是将PendSV挂起,假如没有比PendSV更高优先级的中断,它才会进入PendSV中断服务函数进行任务切换。
 #define portNVIC_PENDSVSET_BIT                ( 1UL << 28UL )

然后解除屏蔽所有中断。
vPortClearBASEPRIFromISR();


另一种方法是主动进行任务切换,不管是使用taskYIELD()还是portYIELD_FROM_ISR(),最终都会执行下面的代码:
#define portYIELD()                                                                                                                                \
{                                                                                                                                                                \
        /* Set a PendSV to request a context switch. */                                                                \
        portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;                                                                \                                                                                                                                                
        __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );                                                                                        \
        __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );                                                                                        \
}

  这portYIELD()其实是一个宏定义来的。同样是向中断状态寄存器bit28位写入1,将PendSV挂起,然后等待任务的切换。
具体的任务切换源码
     一直在说怎么进行任务切换的,好像还没看到任务切换的源码啊,哎,下面来看看任务切换的真面目!
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
        extern uxCriticalNesting;
        extern pxCurrentTCB;
        extern vTaskSwitchContext;

        PRESERVE8

        mrs r0, psp
        isb

        ldr        r3, =pxCurrentTCB                /* Get the location of the current TCB. */
        ldr        r2, [r3]

        stmdb r0!, {r4-r11}                        /* Save the remaining registers. */
        str r0, [r2]                                /* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */

        stmdb sp!, {r3, r14}
        mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
        msr basepri, r0
        dsb
        isb
        bl vTaskSwitchContext
        mov r0, #0
        msr basepri, r0
        ldmia sp!, {r3, r14}

        ldr r1, [r3]
        ldr r0, [r1]                                /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
        ldmia r0!, {r4-r11}                        /* Pop the registers and the critical nesting count. */
        msr psp, r0
        isb
        bx r14
        nop
}


  不是我不想看,是我看到汇编就头大啊,这几天我也在看源码,实在是头大。
  找到核心的函数看看就好啦,不管那么多,有兴趣的可以研究一下中断代码,有不懂的也很欢迎你们来问我,一起研究研究,也是不错的选择。
下面是看重点的地方了:
mov r0,                         #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
msr basepri, r0

这两句代码是关闭中断的。关中断就得干活了,嘿嘿嘿~
bl vTaskSwitchContext
BL是跳转指令嘛,这个我还是有点懂的。
  调用函数vTaskSwitchContext(),寻找新的任务运行,通过使变量pxCurrentTCB指向新的任务来实现任务切换,然后就是打开中断,退出去了。
寻找下一个要运行任务
  是不是感觉没什么大不了的样子,如果你是这样子觉得的,可能还没学到家,赶紧去看看FreeRTOS的源码,在config.h配置文件中是不是有一个叫做硬件查找下一个运行的任务呢?configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION,这个在FreeRTOS中叫做特殊方法,其实也是硬件查找啦,但是并不是每种单片机都支持的,如果是不支持的话,只能选择软件查找的方法了,就是所谓的通用方法。通用方法我就不多说了,因为我用的是STM32,他是支持硬件方法的,这样子效率更高,所以我也没必要去研究他的软件方法,假如有兴趣的小伙伴可以研读一下源码,有不懂的可以向我提问,源码如下:
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                                                                                                                        \
        {                                                                                                                                                                                                        \
        UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;                                                                                                                \
                                                                                                                                                                                                                \
                /* Find the highest priority queue that contains ready tasks. */                                                                \
                while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) )                                                        \
                {                                                                                                                                                                                                \
                        configASSERT( uxTopPriority );                                                                                                                                \
                        --uxTopPriority;                                                                                                                                                        \
                }                                                                                                                                                                                                \
                                                                                                                                                                                                                \
                /* listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY indexes through the list, so the tasks of                                                \
                the        same priority get an equal share of the processor time. */                                                                        \
                listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );                        \
                uxTopReadyPriority = uxTopPriority;                                                                                                                                \
        } /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

而硬件的方法源码则在下面:
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                                                                                                                \
        {                                                                                                                                                                                                \
        UBaseType_t uxTopPriority;                                                                                                                                                \
                                                                                                                                                                                                        \
                /* Find the highest priority list that contains ready tasks. */                                                                \
                portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );                                                                \
                configASSERT( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) > 0 );                \
                listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );                \
        } /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

其方法是利用硬件提供的计算前导零指令CLZ,具体宏定义为:
#define portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxReadyPriorities ) uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )

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本文是杰杰原创,转载请说明出处。本文直接引用了《Cortex-M3权威指南》的部分语句(如涉及侵权,请联系杰杰删除)。


原文链接:【连载】从单片机到操作系统⑥——FreeRTOS任务切换机制详解








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caijie001|  楼主 | 2018-7-14 16:26 | 显示全部楼层
沙发留给自己,谢谢二姨家一直以来对我的照顾,谢谢喇叭姐姐,跑堂姐姐,还有管家姐姐,以及娃娃

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bear1| | 2019-7-23 13:58 | 显示全部楼层
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thinkingpadcui| | 2022-11-17 11:03 | 显示全部楼层
通俗易懂,受益匪浅,学习了

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