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cpu（mcu）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 PendSV（Pended 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 的 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
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
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
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。
在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 ) ) )
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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