干货 | FreeRTOS学习笔记——任务状态及切换 / 开普饭

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本文推荐人：cruelfox 如果您也愿意成为 EEWorld 微信推荐人，请参加：EEWorld 微信你做主，随手推荐得红包！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。

干货 | FreeRTOS学习笔记——任务状态及切换

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