FreeRTOS任务切换

news/2024/2/28 23:26:21

PendSV异常

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。类似于操作系统中的特权请求,陷入内核,通过操作系统去执行用户无法完成的任务
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)

PendSV(可悬起的系统调用),它是一种CPU系统级别的异常,它可以像普通外设中断一样被悬起,而不会像SVC服务那样,因为没有及时响应处理,而触发Fault。如果我们把它配置最低优先级,那么如果同时有多个异常被触发,它会在其他异常执行完毕后再执行,而且任何异常都可以中断它。

在嵌入式OS中,处理时间被划分为了多个时间片,任务会交替进行(并发,虚拟化CPU,会有一种任务同时完成的错觉),而滴答计时器就是这个时间片的计时器,每隔一段时间就会开启中断,让操作系统进行上下文切换。为了避免操作系统的上下文切换抢占了某些中断,可以使用PendSV,这样就会让其他中断先完成,再进行系统调用,实现上下文切换。
在这里插入图片描述

FreeRTOS任务切换场合

  • 执行一个系统调用(SVC、PendSV)
  • 系统滴答定时器(Sys Tick)中断

执行系统调用

任务切换函数taskYIELD()

#define taskYIELD()                        portYIELD()#define portYIELD()                                     
{                                        portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; //向中断控制和状态寄存器ICSR的bit28写1挂起PendSV来启动PendSV中断__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );                           __isb( portSY_FULL_READ_WRITE );                          }

中断级的任务切换函数portYIELD_FROM_ISR()

#define portYIELD_FROM_ISR( x )                     portEND_SWITCHING_ISR( x )#define portEND_SWITCHING_ISR( xSwitchRequired )    do { if( xSwitchRequired != pdFALSE ) portYIELD(); } while( 0 )//调用 portYIELD()

系统滴答定时器中断

void SysTick_Handler(void)
{	if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系统已经运行{xPortSysTickHandler();	}
}void xPortSysTickHandler( void )
{vPortRaiseBASEPRI();//关闭中断{/* Increment the RTOS tick. */if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ){portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;//向中断控制和状态寄存器ICSR的bit28写1挂起PendSV来启动PendSV中断}}vPortClearBASEPRIFromISR();//打开中断
}

PendSV中断服务函数

#define xPortPendSVHandler 	PendSV_Handler__asm void xPortPendSVHandler( void )
{extern uxCriticalNesting;extern pxCurrentTCB;extern vTaskSwitchContext;PRESERVE8mrs r0, psp  //读取进程栈指针,保存到寄存器R0isbldr r3, =pxCurrentTCB //获取当前任务的任务控制块ldr r2, [ r3 ]//将任务控制块的地址保存到R2stmdb r0 !, { r4 - r11 } //保存R4-R11寄存器的值str r0, [ r2 ] //将寄存器R0的值写入R2所保存的地址中去,也就是新的栈顶保存到任务控制块的第一个字段stmdb sp !, { r3, r14 }//将R3和R14压入栈中,R3保存了当前任务的任务控制块mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITYmsr basepri, r0//关闭中断,进入临界区dsbisbbl vTaskSwitchContext//获取下一个要运行的任务mov r0, #0msr basepri, r0//打开中断,退出临界区ldmia sp !, { r3, r14 }//出栈,恢复R3和R14的值,R3变成了下一个要运行的任务的控制块ldr r1, [ r3 ]ldr r0, [ r1 ]//获取新的要运行的的任务的任务堆栈栈顶,保存到R0 ldmia r0 !, { r4 - r11 } //R4-R11出栈,也就是即将运行的任务的现场msr psp, r0//更新进程psp的值isbbx r14//硬件自动恢复寄存器R0-R3,R12,LR,PC,xPSP。返回原模式,新的任务开始,切换任务完成。nop}

查找下一个要运行的任务

void vTaskSwitchContext( void )
{if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE )//如果调度器挂起就不能执行任务切换{xYieldPending = pdTRUE;}else{xYieldPending = pdFALSE;traceTASK_SWITCHED_OUT();#if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 ){#ifdef portALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUEportALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE( ulTotalRunTime );#elseulTotalRunTime = portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE();#endifif( ulTotalRunTime > ulTaskSwitchedInTime ){pxCurrentTCB->ulRunTimeCounter += ( ulTotalRunTime - ulTaskSwitchedInTime );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}ulTaskSwitchedInTime = ulTotalRunTime;}#endif taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();#if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 ){pxCurrentTCB->iTaskErrno = FreeRTOS_errno;}#endiftaskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK(); //获取下一个要运行的任务traceTASK_SWITCHED_IN();#if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 ){FreeRTOS_errno = pxCurrentTCB->iTaskErrno;}#endif#if ( ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 ) || ( configUSE_C_RUNTIME_TLS_SUPPORT == 1 ) ){configSET_TLS_BLOCK( pxCurrentTCB->xTLSBlock );}#endif}
}

获取下一个任务的通用方法:

 #define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                                {                                                                         UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;                       while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) ) //pxReadyTasksLists[]处于就绪态的最高优先级列表,uxTopPriority是最高优先级。listLIST_IS_EMPTY()判断这个列表是否为空,从高到低直到找到就绪列表不为空的列表{                                                                     configASSERT( uxTopPriority );                                    --uxTopPriority;                                                  }                                                                                   listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); //获取列表中下一个的列表项,并把列表项所对应的任务控制块赋值给pxCurrentTCBuxTopReadyPriority = uxTopPriority;                                                   } 

获取下一个任务的硬件方法:

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                                                  {                                                                                           UBaseType_t uxTopPriority;                                                              portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );   //   获取处于就绪态的最高优先级                    configASSERT( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) > 0 ); listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );  //获取列表中下一个的列表项,并把列表项所对应的任务控制块赋值给pxCurrentTCB} 

FreeRTOS时间片调度

在FreeRTOS中允许一个任务运行一个时间片(一个时钟节拍的长度)后让出CPU的使用权,让拥有同优先级的下一任务运行。

在这里插入图片描述

void xPortSysTickHandler( void )//引发任务调度函数
{vPortRaiseBASEPRI();{if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )//当返回值不为pdFALSE的时候就会进行任务调度{portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;}}vPortClearBASEPRIFromISR();
}
BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
{TCB_t * pxTCB;TickType_t xItemValue;BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;    traceTASK_INCREMENT_TICK( xTickCount );if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE ){const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + ( TickType_t ) 1;xTickCount = xConstTickCount;if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U ) {taskSWITCH_DELAYED_LISTS();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime ){for( ; ; ){if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE ){xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; break;}else{pxTCB = listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList ); xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );if( xConstTickCount < xItemValue ){xNextTaskUnblockTime = xItemValue;break; }else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}listREMOVE_ITEM( &( pxTCB->xStateListItem ) );if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL ){listREMOVE_ITEM( &( pxTCB->xEventListItem ) );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}prvAddTaskToReadyList( pxTCB );#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 )//时间片调度条件{if( pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority )//判断当前任务所对应的优先级下是否有其他任务{xSwitchRequired = pdTRUE;//如果有就返回padTrue,进行一次任务切换}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif }}}

时间片调度实验

实验设计

start_task:创建任务
task1_task:控制LED0闪烁,并通过串口打印task1_task运行次数
task2_task:控制LED1灯闪烁,并通过串口打印task2_task运行次数

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "timer.h"
#include "timer.h"
#include "lcd.h"
#include "key.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"//任务优先级
#define START_TASK_PRIO		1
//任务堆栈大小	
#define START_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;
//任务函数
void start_task(void *pvParameters);//任务优先级
#define TASK1_TASK_PRIO		2
//任务堆栈大小	
#define TASK1_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t Task1Task_Handler;
//任务函数
void task1_task(void *pvParameters);//任务优先级
#define TASK2_TASK_PRIO		2
//任务堆栈大小	
#define TASK2_STK_SIZE 		128  
//任务句柄
TaskHandle_t Task2Task_Handler;
//任务函数
void task2_task(void *pvParameters);int main(void)
{NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4);//设置系统中断优先级分组4	 delay_init();	    				//延时函数初始化	 uart_init(115200);					//初始化串口LED_Init();		  					//初始化LEDLCD_Init();							//初始化LCDPOINT_COLOR = RED;LCD_ShowString(30,10,200,16,16,"ATK STM32F103/407");	LCD_ShowString(30,30,200,16,16,"FreeRTOS Examp 9-1");LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"FreeRTOS Round Robin");LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"2016/11/25");//创建开始任务xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,            //任务函数(const char*    )"start_task",          //任务名称(uint16_t       )START_STK_SIZE,        //任务堆栈大小(void*          )NULL,                  //传递给任务函数的参数(UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //任务优先级(TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //任务句柄              vTaskStartScheduler();          //开启任务调度
}//开始任务任务函数
void start_task(void *pvParameters)
{taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区//创建TASK1任务xTaskCreate((TaskFunction_t )task1_task,             (const char*    )"task1_task",           (uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,        (void*          )NULL,                  (UBaseType_t    )TASK1_TASK_PRIO,        (TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);   //创建TASK2任务xTaskCreate((TaskFunction_t )task2_task,     (const char*    )"task2_task",   (uint16_t       )TASK2_STK_SIZE,(void*          )NULL,(UBaseType_t    )TASK2_TASK_PRIO,(TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler); vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
}//task1任务函数
void task1_task(void *pvParameters)
{u8 task1_num=0;while(1){task1_num++;					//任务1执行次数加1 注意task1_num1加到255的时候会清零!!LED0=!LED0;taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区printf("任务1已经执行:%d次\r\n",task1_num);taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区delay_xms(10);					//延时10ms,模拟任务运行10ms,此函数不会引起任务调度,因为两个任务是同一个优先级,会按时间片交替调度}
}//task2任务函数
void task2_task(void *pvParameters)
{u8 task2_num=0;while(1){task2_num++;					//任务2执行次数加1 注意task2_num1加到255的时候会清零!!LED1=!LED1;taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区printf("任务2已经执行:%d次\r\n",task2_num);taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区delay_xms(10);					//延时10ms,模拟任务运行10ms,此函数不会引起任务调度}
}

https://www.jiucaihua.cn/news/show-4626923.html

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