圖解FreeRTOS原理系列之任務管理器基本框架

時間：2020-12-24 10:03:13

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[導讀]學習梳理一下FreeRTOS任務管理單元實現(xiàn)思路，代碼分析基于V10.4.3。從本文開始計劃寫個圖解freeRTOS內(nèi)核系列筆記分享給朋友們，希望大家喜歡。文章中或有錯誤，也請留言交流指正，或加本人微信進行交流～

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本文主要學習梳理FreeRTOS任務管理器的基本原理，大體框架。

內(nèi)核任務管理器需求

先來對比一下裸奔系統(tǒng)與RTOS應用系統(tǒng)的編程模型，看看兩種編程的不同畫風。

裸奔系統(tǒng)

在不用RTOS的單片機應用開發(fā)時，編程模型大概是這樣的畫風：

程序的主體是一個死循環(huán)，該應用程序由一系列協(xié)同工作的函數(shù)片段組成，相互實現(xiàn)邏輯配合，實現(xiàn)用戶業(yè)務需求。該應用程序獨占單片機，常規(guī)的單片機系統(tǒng)都僅有有一個計算單元核。
普通外設I/O,這里所說I/O是指廣義的I/O，比如GPIO、PWM、ADC、DAC、LCD顯示（當然這里并不嚴謹，比如ADC,DAC、LCD等也可以產(chǎn)生中斷）等。中斷函數(shù)將異步事件接收成或報文或標志或數(shù)值，在與主循環(huán)發(fā)生邏輯關(guān)聯(lián)。
中斷外設，比如UART、USB、I2C、定時器、DMA等根據(jù)應用需求而使用的中斷。這些中斷都需要相應的中斷函數(shù)進行處理異步中斷事件。對于輸出可能采樣主動輸出，一般由主循環(huán)某一個動作執(zhí)行；對于輸入設備或許采用輪詢方式，在與主循環(huán)進行耦合。

RTOS應用系統(tǒng)

在一個基于RTOS應用系統(tǒng)中，其編程模型大致是下面這樣一個畫風，有多個并行的任務在相對長的宏觀時間維度看起來，多個任務是并行運行的，但對于常規(guī)單片機而言（一般都是單核），任一時刻只有一個任務或中斷函數(shù)在獨占CPU核。

常見的RTOS沒有設備驅(qū)動模型，沒有對外設設備進行抽象，中斷函數(shù)將會由用戶或調(diào)用RTOS 機制，比如event/signal等與任務進行通信
任務間還有可能需要通信，或傳遞消息，或完成某項需求相互間需要同步等
同樣任務需要與硬件普通IO外設進行打交道，或入或出。但有可能是這個任務實現(xiàn)，也有可能是哪個任務執(zhí)行。完全取決于開發(fā)人員如何設計。
RTOS實現(xiàn)任務的切入切出，切入使某任務運行；切出使某任務掛起，出讓CPU，暫停運行。
RTOS充當?shù)讓又С止δ?，RTOS還提供豐富的時間管理，隊列、郵箱等機制供應用開發(fā)使用。
......

對于單片機而言，一般只有一個核，所有RTOS為了方便理解，可以看成是最最主要的目就是通過軟件方法將硬件CPU核程序運行環(huán)境抽象為每一個應用任務虛擬出一個軟核。這樣從時間維度上看起來多任務是并行的，而事實上這種并行是偽并行。

上圖僅僅為理解RTOS作用方便，這種虛擬核本質(zhì)上并不存在，只是將硬件CPU核的運行時上下文（PC指針、狀態(tài)寄存器等寄存器組、任務運行時臨時變量等）通過快照保存切入切出而實現(xiàn)多任務的偽并行運行。

FreeRTOS任務管理器需求

從前文看出，任務管理要實現(xiàn)任務的切入、切出，則首先需要對任務進行抽象描述，以實現(xiàn)在CPU上能夠?qū)崿F(xiàn)切換。根據(jù)閱讀代碼以及文獻加上自己的理解，將內(nèi)核任務管理器的主要功能需求大致梳理成下面這樣一張用例圖Use case Diagram，僅僅為理解方便，或許并不嚴謹。

從上圖，大致可以看出FreeRTOS任務調(diào)度器需要以下一些功能需求：

任務抽象描述，一個任務一般本質(zhì)上是一個死循環(huán)程序片段（當然也有任務運行著會退出被殺掉的可能）。對于任務的抽象：

一般會有任務的執(zhí)行主體，利用函數(shù)主體函數(shù)指針進行抽象
RTOS常規(guī)都是的基于優(yōu)先級搶占調(diào)度算法，因此需要抽象出哪個任務具有更高概率能被執(zhí)行，用優(yōu)先級進行描述
任務需要得以切換，就需要將任務在切換間的臨時狀態(tài)進行保存，棧機制就能很好的滿足這樣的需求，因此每個任務都有一個或大或小的任務棧。其本質(zhì)上是一片連續(xù)的FILO（先入后出）內(nèi)存。
.....

任務創(chuàng)建、刪除等API接口，供應用開發(fā)使用。
任務調(diào)度器控制接口，啟動調(diào)度器、停止調(diào)度器、掛起所有任務、恢復運行等調(diào)度器接口。
任務雜項信息接口，比如獲取任務狀態(tài)、tick信息、調(diào)試、獲取任務名等API接口
任務調(diào)度算法，基于調(diào)度策略對運行時的任務進行調(diào)度，或掛起、或運行、或就緒等，主要根據(jù)調(diào)度策略管理任務的切入切出。這里主要涉及到任務間上下文切換、任務與中斷函數(shù)間的上下文切換兩種場景。
抽象C運行時環(huán)境，現(xiàn)代RTOS應用系統(tǒng)一般基于C語言，抽象C運行時環(huán)境，這里主要指棧，當然很多RTOS內(nèi)核也內(nèi)核堆，freeRTOS也不例外。熟悉C編程的朋友都知道，堆內(nèi)存由malloc/free函數(shù)操作集提供用戶接口，既然C堆已有，為何RTOS內(nèi)核重新造輪子？為啥內(nèi)核額外需要實現(xiàn)自己的堆管理器呢？這大體是基于下面些緣由：

編譯器C堆實現(xiàn)，在小型嵌入式系統(tǒng)上有時候并不能直接使用。
C堆的實現(xiàn)可能相對較大，占用了較大代碼空間。比較浪費有限的代碼存儲空間。
C堆很少是線程安全的。
C堆申請執(zhí)行時間不是確定的，執(zhí)行功能所需的時間因調(diào)用而異。
C堆會在單片機有限的內(nèi)存資源引發(fā)內(nèi)存碎片問題。
C堆會使鏈接器配置復雜化。
C堆如引發(fā)未知錯誤，不便于調(diào)試。

FreeRTOS任務描述抽象

對于其中幾項必須的關(guān)鍵數(shù)據(jù)域描述一下其抽象作用：

pxTopOfStack：指向任務棧棧頂指針
xStateListItem：任務狀態(tài)鏈表描述節(jié)點，用于動態(tài)將該任務添加、刪除到就緒或阻塞任務對列鏈表中
xEventListItem：事件鏈表描述節(jié)點，描述本任務相關(guān)事件，用于將本任務添加到事件鏈表中。
uxPriority：任務優(yōu)先級，用于描述本任務的優(yōu)先級。
pxStack：任務棧指針，指向本任務的任務棧。
pcTaskName：任務名字符串存儲區(qū)，長度可配。默認為16字節(jié)

其他的數(shù)據(jù)域，可裁剪實現(xiàn)一些更豐富的功能，比如主要用于防治優(yōu)先級反轉(zhuǎn)的優(yōu)先級繼承機制，trace追蹤功能等。限于篇幅，也主要梳理任務管理器的主要原理，就不展開了。

任務創(chuàng)建刪除管理

FreeRTOS為用戶提供一組函數(shù)集用于任務的創(chuàng)建、刪除等管理，先看任務的創(chuàng)建API：

BaseType_t?xTaskCreate(?TaskFunction_t?pxTaskCode,
??????const?char?*?const?pcName,?????
??????const?configSTACK_DEPTH_TYPE?usStackDepth,
??????void?*?const?pvParameters,
??????UBaseType_t?uxPriority,
??????TaskHandle_t?*?const?pxCreatedTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

TaskHandle_t?xTaskCreateStatic(?TaskFunction_t?pxTaskCode,
????????const?char?*?const?pcName,????
????????const?uint32_t?ulStackDepth,
????????void?*?const?pvParameters,
????????UBaseType_t?uxPriority,
????????StackType_t?*?const?puxStackBuffer,
????????StaticTask_t?*?const?pxTaskBuffer?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

BaseType_t?xTaskCreateRestricted(?const?TaskParameters_t?*?const?pxTaskDefinition,
??????????TaskHandle_t?*?pxCreatedTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

BaseType_t?xTaskCreateRestrictedStatic(?const?TaskParameters_t?*?const?pxTaskDefinition,
??????????TaskHandle_t?*?pxCreatedTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

xTaskCreate/xTaskCreateStatic 都是用于創(chuàng)建任務而用，其區(qū)別在于：

xTaskCreate 申請任務控制塊以及棧從內(nèi)核堆申請
xTaskCreateStatic 創(chuàng)建的任務，其任務控制塊內(nèi)存以及任務棧內(nèi)存由用戶傳入?；蛟S有朋友會問StaticTask_t這不是任務控制塊嘛，仔細看看其結(jié)構(gòu)定義其內(nèi)存對齊及大小剛好是前面說的任務控制塊的定義。

xTaskCreateRestricted() /xTaskCreateRestrictedStatic(),主要用于在有或使能MPU單元的芯片中創(chuàng)建任務。這里的MPU是指Memory Protection Unit (MPU)，不是微處理器的意思。這兩者的區(qū)別與上面兩個API類似，主要在于其內(nèi)存分配方式不同，xTaskCreateRestricted是從內(nèi)核堆動態(tài)申請，xTaskCreateRestrictedStatic用戶傳入。
PRIVILEGED_FUNCTION 這個宏是用于存儲保護單元芯片的。

這幾個任務創(chuàng)建函數(shù)都是用于任務創(chuàng)建，任務一旦創(chuàng)建就會被插入任務就緒鏈表中，當調(diào)度器調(diào)度啟動后就按任務狀態(tài)機根據(jù)調(diào)度策略以及外部輸入事件進行調(diào)度接管。這里以xTaskCreate繪制一下其內(nèi)在干了些啥：

再看看另外兩個函數(shù)：

void?vTaskAllocateMPURegions(?TaskHandle_t?xTask,
????????const?MemoryRegion_t?*?const?pxRegions?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskDelete(?TaskHandle_t?xTaskToDelete?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

vTaskAllocateMPURegions: 定義一組內(nèi)存保護單元（MPU）區(qū)域，供MPU受限任務使用.
vTaskDelete: 刪除用使用xTaskCreate()或xTaskCreateStatic()創(chuàng)建的任務。

任務控制管理接口

void?vTaskDelay(?const?TickType_t?xTicksToDelay?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskDelayUntil(?TickType_t?*?const?pxPreviousWakeTime,
????????????????????????????const?TickType_t?xTimeIncrement?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskAbortDelay(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
UBaseType_t?uxTaskPriorityGet(?const?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
UBaseType_t?uxTaskPriorityGetFromISR(?const?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
eTaskState?eTaskGetState(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskGetInfo(?TaskHandle_t?xTask,
???????????????????TaskStatus_t?*?pxTaskStatus,
???????????????????BaseType_t?xGetFreeStackSpace,
???????????????????eTaskState?eState?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPrioritySet(?TaskHandle_t?xTask,
???????????????????????UBaseType_t?uxNewPriority?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSuspend(?TaskHandle_t?xTaskToSuspend?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskResume(?TaskHandle_t?xTaskToResume?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskResumeFromISR(?TaskHandle_t?xTaskToResume?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這一系列的API接口操作集主要用于對任務進行掛起延時、獲取優(yōu)先級、自中斷函數(shù)獲取優(yōu)先級、掛起、恢復運行等操作。基本從其函數(shù)名就可以看出其作用。比如：

vTaskDelay調(diào)用，會使調(diào)用該函數(shù)的任務進入阻塞狀態(tài)一段時間，時間為傳入的tick數(shù)。

這里需要注意的是有的函數(shù)在中斷函數(shù)體里面不可以調(diào)用，需要使用專用版本，具體可以看看手冊或注釋。

調(diào)度器控制接口

void?vTaskStartScheduler(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskEndScheduler(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSuspendAll(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskResumeAll(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這一組函數(shù)API集主要用于調(diào)度器的啟動、停止控制：

vTaskStartScheduler，主要用于待用戶任務創(chuàng)建好后，硬件初始化后，啟動內(nèi)核調(diào)度器
vTaskEndScheduler，可用于停止內(nèi)核調(diào)度器，一般很少用到，在一些安全相關(guān)的應用可能會在出故障時主動停止調(diào)度器。
vTaskSuspendAll，掛起所有任務，可以用用戶邏輯主動掛起所有的任務
xTaskResumeAll，恢復所有任務為就緒態(tài)。

任務雜項API集

我根據(jù)代碼及注釋及自己理解，將這些API歸類到雜項API集合：

TickType_t?xTaskGetTickCountFromISR(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
UBaseType_t?uxTaskGetNumberOfTasks(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
char?*?pcTaskGetName(?TaskHandle_t?xTaskToQuery?)?PRIVILEGED_FUNCTION;?????
TaskHandle_t?xTaskGetHandle(?const?char?*?pcNameToQuery?)?PRIVILEGED_FUNCTION;???
UBaseType_t?uxTaskGetStackHighWaterMark(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
configSTACK_DEPTH_TYPE?uxTaskGetStackHighWaterMark2(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSetApplicationTaskTag(?TaskHandle_t?xTask,
?????????TaskHookFunction_t?pxHookFunction?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TaskHookFunction_t?xTaskGetApplicationTaskTag(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TaskHookFunction_t?xTaskGetApplicationTaskTagFromISR(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

void?vTaskSetThreadLocalStoragePointer(?TaskHandle_t?xTaskToSet,
??????????BaseType_t?xIndex,
??????????void?*?pvValue?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?*?pvTaskGetThreadLocalStoragePointer(?TaskHandle_t?xTaskToQuery,

void?vApplicationStackOverflowHook(?TaskHandle_t?xTask,
???????????char?*?pcTaskName?);
void?vApplicationTickHook(?void?);?
......
BaseType_t?xTaskGenericNotifyStateClear(?TaskHandle_t?xTask,
?????????????????????????????????????????UBaseType_t?uxIndexToClear?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

uint32_t?ulTaskGenericNotifyValueClear(?TaskHandle_t?xTask,
????????????????????????????????????????UBaseType_t?uxIndexToClear,
????????????????????????????????????????uint32_t?ulBitsToClear?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSetTimeOutState(?TimeOut_t?*?const?pxTimeOut?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

BaseType_t?xTaskCheckForTimeOut(?TimeOut_t?*?const?pxTimeOut,
?????????????????????????????????TickType_t?*?const?pxTicksToWait?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

BaseType_t?xTaskCatchUpTicks(?TickType_t?xTicksToCatchUp?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這些函數(shù)具體作用就不贅述，這里僅僅梳理分類，用到時候查手冊即可。

跨平臺移植接口

BaseType_t?xTaskIncrementTick(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPlaceOnEventList(?List_t?*?const?pxEventList,
????????????????????????????const?TickType_t?xTicksToWait?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPlaceOnUnorderedEventList(?List_t?*?pxEventList,
?????????????????????????????????????const?TickType_t?xItemValue,
?????????????????????????????????????const?TickType_t?xTicksToWait?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPlaceOnEventListRestricted(?List_t?*?const?pxEventList,
??????????????????????????????????????TickType_t?xTicksToWait,
??????????????????????????????????????const?BaseType_t?xWaitIndefinitely?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskRemoveFromEventList(?const?List_t?*?const?pxEventList?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskRemoveFromUnorderedEventList(?ListItem_t?*?pxEventListItem,
????????????????????????????????????????const?TickType_t?xItemValue?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

portDONT_DISCARD?void?vTaskSwitchContext(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TickType_t?uxTaskResetEventItemValue(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
TaskHandle_t?xTaskGetCurrentTaskHandle(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskMissedYield(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskGetSchedulerState(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskPriorityInherit(?TaskHandle_t?const?pxMutexHolder?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
BaseType_t?xTaskPriorityDisinherit(?TaskHandle_t?const?pxMutexHolder?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskPriorityDisinheritAfterTimeout(?TaskHandle_t?const?pxMutexHolder,
UBaseType_t?uxTaskGetTaskNumber(?TaskHandle_t?xTask?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskSetTaskNumber(?TaskHandle_t?xTask,
?????????????????????????const?UBaseType_t?uxHandle?)?PRIVILEGED_FUNCTION;
void?vTaskStepTick(?const?TickType_t?xTicksToJump?)?PRIVILEGED_FUNCTION;


eSleepModeStatus?eTaskConfirmSleepModeStatus(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

TaskHandle_t?pvTaskIncrementMutexHeldCount(?void?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

void?vTaskInternalSetTimeOutState(?TimeOut_t?*?const?pxTimeOut?)?PRIVILEGED_FUNCTION;

這些接口不同硬件平臺需要做具化的移植，做差異化的處理，但是對于FreeRTOS統(tǒng)一了內(nèi)部調(diào)用的接口。這樣的思路在應用開發(fā)時也可以考慮使用，對于公共部分可以抽象出統(tǒng)一的接口，這樣在不同平臺上可以很方便的進行移植。對于這些接口后面有機會學習整理分享。

對于用例圖中的其他部分，核心調(diào)度部分以及上下文切換，篇幅所限留在后面學習整理分享。