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FreeRTOS学习笔记 (3)任务状态及切换

分类名:经验日期:2018-04-18作者:cruelfox
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    FreeRTOS 的任务具有如下几种状态:

运行Running
就绪Ready
阻塞Blocked
挂起Suspended


  除了运行状态之外的状态统称为非运行状态。因为 FreeRTOS 是为单CPU设计的系统,在任何时刻最多只能允许一个任务处在运行状态,哪怕看起来好像有多个任务同时在运行——这只是多个任务不停地切换带来的效果。当一个任务从运行状态切换到非运行状态时,执行时的现场——CPU寄存器被保存在任务的私有堆栈中;在重新回到运行状态时,再从堆栈中恢复之间保存的寄存器。这是任务调度的最基本功能。


  就绪的任务

  FreeRTOS 任务的就绪状态表示任务目前没有被执行,但随时可以被执行。当下一次任务切换时机到来时,FreeRTOS 将从就绪任务的列表中选择优先级最高的任务,切换成运行状态。
  任务优先级是任务的一个属性,FreeRTOS 用整型数表示优先级,最低优先级为0, 最高为 configMAX_PRIORITIES 宏定义的值减去1. 创建任务的时候需要指定一个优先级,在创建之后也可以再通过 vTaskPrioritySet() 函数更改。优先级的意义是,某一个任务处于就绪状态时,只要还存在比它优先级高的任务也处于就绪状态,它就得不到执行的机会。
  当有两个以上相同优先级的任务处于就绪状态时,它们会轮流地得到机会执行(但不保证执行时间是平均分配的),系统不会偏向其中任一个。

  任务切换的时机

  FreeRTOS 在以下情况下必然发生任务切换:
(A) 运行中的任务调用 vTaskSuspend() 将自己挂起。
(B) 运行中的任务调用了延时函数,要求等待一段时间后再执行。
(C) 运行中的任务需要等待一个未发生的同步事件。
  因为是当前任务主动暂停执行,FreeRTOS 需要将它切换到挂起或者阻塞状态,然后从就绪状态的任务列表中选择最高优先级的任务来执行。若已经没有其它需要执行的任务了,还会执行系统自带的,具有最低优先级的 Idle task. 还有一个特殊的情况是
(D) 运行中的任务调用了 taskYIELD() 主动要求切换任务。
  这时候如果就绪任务列表中有同一或更高优先级的任务,将发生任务切换,否则会返回当前任务继续执行。

  如果 FreeRTOS 配置中有 configUSE_PREEMPITON=1, 则进行抢占式任务调度。抢占的意义是在任务就绪列表中新加入的任务(包括新建任务、从挂起状态恢复的任务、从阻塞状态退出的任务),以及被修改了优先级的任务,具有比当前运行任务更高的优先级时,立即切换到那个更高优先级的任务执行。而先前运行的任务不知道自己的执行在何时被暂停,故称为“被抢占”。
  抢占式调度保证了最高优先级的任务一旦运行条件成熟,就会立即得到处理器资源。不过如果最高优先级的任务不止一个时,默认它们是不会相互抢占的,除非再配置了 configUSE_TIME_SLICING=1, 由 FreeRTOS 进行时间片管理。启用时间片管理之后,相同优先级的就绪任务轮流执行,每个任务每次最多执行一个固定的周期,基本上让处理器资源平均分配。  小结一下,在抢占式调度下任务切换的时机有:
(E) 运行中的任务被更高优先级的任务抢占。
(F) 运行中的任务执行到一个时间片末尾,被同一优先级的任务抢占。

  借用一下手册中的例子。没有抢占式调度的时候是像下图这样:Task3 没有阻塞,需要主动交出控制权才会切换到已经就绪的 Task1, Task2.

  而抢占式调度是下面这样:总是立即调度到更高优先级的就绪任务。

  启用了时间片轮流调度同优先级任务的抢占式:Task2 和 Idle task都是最低优先级的,轮流执行,在时间片末尾一定切换。


  任务切换的实现

  分析一下实现的细节,挑一个简单的入手: vTaskSuspend() 函数,作用是将一个任务状态调整为挂起状态。

void vTaskSuspend( TaskHandle_t xTaskToSuspend )
{
    TCB_t *pxTCB;

    taskENTER_CRITICAL();
    pxTCB = prvGetTCBFromHandle( xTaskToSuspend );
    if( uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) ) == ( UBaseType_t ) 0 )
    {
        taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
    }
    if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL )
    {
        ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );
    }
    vListInsertEnd( &xSuspendedTaskList, &( pxTCB->xStateListItem ) );
    taskEXIT_CRITICAL();

    if( xSchedulerRunning != pdFALSE )
    {
        taskENTER_CRITICAL();
        prvResetNextTaskUnblockTime();
        taskEXIT_CRITICAL();
    }

    if( pxTCB == pxCurrentTCB )
    {
        if( xSchedulerRunning != pdFALSE )
        {
            portYIELD_WITHIN_API();
        }
        else
        {
            if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &xSuspendedTaskList ) == uxCurrentNumberOfTasks )
            {
                pxCurrentTCB = NULL;
            }
            else
            {
                vTaskSwitchContext();
            }
        }
    }
}


  这个函数有三大块:第一个是把该任务TCB结构中 xStateListItem 成员从所属状态列表中删除,随后插入到挂起任务列表;并把 xEventListItem 成员从所属列表中删除。第二块是如果调度器是在工作的,就执行一下 prvResetNextTaskUnblockTime(). 第三块是在如果挂起的是当前任务,就进行任务调度:portYIELD_WITHIN_API() 或者调度器没工作时 vTaskSwitchContext() 切换到没有挂起的任务。
  暂且不管 taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL() 这两个临界区有关的操作。uxListRemove() 这个函数仅仅需要一个参数有点奇怪,需要查看 list.c 和 list.h 明白 FreeRTOS 的列表是用了双向链表数据结构实现的才能理解:从 xStateListItem 这一列表成员,能索引整个列表。当任务所属的状态列表为空时,要执行 taskRESET_READY_PRIORITY(), 重置这一级优先级的就绪状态?不好理解,得追查代码……原来每个优先级都有一个就绪任务的列表,而不是我以为的所有就绪任务用一个列表。在 tasks.c 中全局定义了以下一些列表:

/* Lists for ready and blocked tasks. --------------------*/
PRIVILEGED_DATA static List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1;
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxDelayedTaskList;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;
PRIVILEGED_DATA static List_t xPendingReadyList;

  可以猜想,FreeRTOS 的任务必须要在某一个列表中(运行任务在就绪列表里);发生任务调度的时候,列表要作调整。
  vTastSuspend() 的第二步是重新设置 xNextTaskUnblockTime 这个全局变量,因为挂起的任务可能是处于等待延时的阻塞状态,需要排除它的影响。
  第三步是任务调度,通过调度器是用 portYIELD() 实现(否则调度器没有运行……这个稍后再来分析)。而 portYIELD() 对于 ARM Cortex-m3 平台在 portmacro.h 中是这样实现的:

#define portYIELD()                                   
{                                                     
    portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;   
    __asm volatile( "dsb" );                          
    __asm volatile( "isb" );                          
}

    这个宏做的事情是设置了 PendSV 状态位,将引起 PendSV 异常,然后在 PendSV ISR handler 中去实现任务切换。现在可以大胆猜测:FreeRTOS 用 PendSV 异常处理来进行任务切换。继续分析这个 handler, 它是 port.c 中一个汇编实现的函数:

void xPortPendSVHandler( void )
{
    __asm volatile    (
    "   mrs r0, psp                         n"
    "   isb                                 n"
    "   ldr r3, pxCurrentTCBConst           n" 
    "   ldr r2, [r3]                        n"
    "   stmdb r0!, {r4-r11}                 n" 
    "   str r0, [r2]                        n" 
    "   stmdb sp!, {r3, r14}                n"
    "   mov r0, %0                          n"
    "   msr basepri, r0                     n"
    "   bl vTaskSwitchContext               n"
    "   mov r0, #0                          n"
    "   msr basepri, r0                     n"
    "   ldmia sp!, {r3, r14}                n"
    "   ldr r1, [r3]                        n"
    "   ldr r0, [r1]                        n" 
    "   ldmia r0!, {r4-r11}                 n" 
    "   msr psp, r0                         n"
    "   isb                                 n"
    "   bx r14                              n"
    "   .align 4                            n"
    "pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB  n"
    ::"i"(configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY) );
}


  因为进入中断前,PSP 堆栈中保存了8个寄存器: r0, r1, r2, r3, r12, LR, PC, xPSR, 可以放心用 r0 至 r3. 先将当前任务 TCB 地址读到 r2, 将 r4 到 r11 这些寄存器保存到任务的堆栈,然后将新的任务堆栈顶(这里是r0寄存器)保存在TCB中(TCB的第一个成员就是堆栈栈顶)。接下来调用 vTaskSwitchContext() 函数切换上下文,再获取当前任务 TCB 地址到 r1, 从 TCB 中读取任务堆栈栈顶,从堆栈中弹出寄存器,设置 PSP 堆栈寄存器,最后退出异常处理。
  因为 PSP 寄存器被改了,所以进入异常之前的堆栈和退出异常后的堆栈属于不同任务的。而在一个任务看来,调用 portYIELD() 函数返回后好象什么都没有变一样。如果 vTaskSwitchContext() 函数什么都不做的话,上面的异常处理就什么实质性的操作都没干,仍然返回现在的任务。
  来看看上下文切换是怎么实现的:实际上关键性的就这一句
   taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
  这又是一个宏,定义为

{
UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;

    while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) )
    {
        --uxTopPriority;
    }

    listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );
    uxTopReadyPriority = uxTopPriority;
}


  不难看懂,它从最高优先级开始向下搜索,直到找到一个就绪任务列表不空的,从中选取一个任务,设置当前 TCB 地址为它的 TCB 地址,然后保存全局就绪状态的优先级。所以 vTaskSwitchContext() 做的事情主要就是选出该执行的任务,设置当前 pxCurrentTCB 全局变量。

  时间片是如何工作的

  既然需要用到时间片,必须得有硬件定时器中断支持了。FreeRTOS 把这个中断叫做 tick interrupt(翻译为滴答中断),用什么定时器实现就跟平台相关了。查看源码之后,我确认了对于ARM Cortex-m0/m3 都是用的 Systick Timer, 是由 ARM 内核提供的定时器而不是APB总线上的定时器设备,这样充分利用了硬件,又兼容不同厂家的MCU.
  定时器中断函数还算简单

void xPortSysTickHandler( void )
{
    portDISABLE_INTERRUPTS();
    {
        if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
        {
            portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
        }
    }
    portENABLE_INTERRUPTS();
}

  主要就是调用 xTaskIncrementTick() 进行计数,并判断是否需要任务切换。需要切换的情况除了同一优先级就绪任务的轮流运行外,还有用 xTaskDelay() 等函数申请延时到期的,还有等待事件 timeout 到期的。后两者都是 DelayedTaskList 列表里面的情况,这其中实现的细节我就不在此罗列了。

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