FreeRTOS系列第22篇---FreeRTOS任務切換分析
[導讀]關注、星標公眾號，直達精彩內容ID：技術讓夢想更偉大整理：李肖遙FreeRTOS任務相關的代碼大約占總代碼的一半左右，這些代碼都在為一件事情而努力，即找到優(yōu)先級最高的就緒任務，并使之獲得CPU運行權。任務切換是這一過程的直接實施者，為了更快的找到優(yōu)先級最高的就緒任務，任務切換的代...
關注、星標公眾號，直達精彩內容ID：技術讓夢想更偉大整理：李肖遙
FreeRTOS任務相關的代碼大約占總代碼的一半左右，這些代碼都在為一件事情而努力，即找到優(yōu)先級最高的就緒任務，并使之獲得CPU運行權。任務切換是這一過程的直接實施者，為了更快的找到優(yōu)先級最高的就緒任務，任務切換的代碼通常都是精心設計的，甚至會用到匯編指令或者與硬件相關的特性，比如Cortex-M3的CLZ指令。因此任務切換的大部分代碼是由硬件移植層提供的，不同的平臺，實現(xiàn)發(fā)方法也可能不同。
?這篇文章以Cortex-M3為例，講述FreeRTOS任務切換的過程。?「FreeRTOS有兩種方法觸發(fā)任務切換：」
- 執(zhí)行系統(tǒng)調用，比如普通任務可以使用
taskYIELD()強制任務切換，中斷服務程序中使用portYIELD_FROM_ISR()強制任務切換； - 系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷
IELD()還是portYIELD_FROM_ISR()，最終都會執(zhí)行宏portYIELD()，這個宏的定義如下：#define?portYIELD()??????\
{????????\
?/*產生PendSV中斷*/??????????????????????????\
?portNVIC_INT_CTRL_REG?=?portNVIC_PENDSVSET_BIT;??\
}
對于第二種任務切換方法，在系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷服務函數(shù)中，首先會更新tick計數(shù)器的值、查看是否有任務解除阻塞，如果有任務解除阻塞的話，則使能PandSV中斷，代碼如下所示：void?xPortSysTickHandler(?void?)
{
?/*?設置中斷掩碼?*/
?vPortRaiseBASEPRI();
?{
??/*?增加tick計數(shù)器值，并檢查是否有任務解除阻塞?*/
??if(?xTaskIncrementTick()?!=?pdFALSE?)
??{
???/*?需要任務切換。產生PendSV中斷?*/
???portNVIC_INT_CTRL_REG?=?portNVIC_PENDSVSET_BIT;
??}
?}
?vPortClearBASEPRIFromISR();
}
從上面的代碼中可以看出，PendSV中斷的產生是通過代碼：portNVIC_INT_CTRL_REG?=?portNVIC_PENDSVSET_BIT
實現(xiàn)的，它向中斷狀態(tài)寄存器bit28位寫入1，將PendSV中斷設置為掛起狀態(tài);等到優(yōu)先級高于PendSV的中斷執(zhí)行完成后，PendSV中斷服務程序將被執(zhí)行，進行任務切換工作。Cortex-M3架構下，PendSV中斷服務程序源碼如下所示，這篇文章重點分析這段代碼。__asm?void?xPortPendSVHandler(?void?)
{
?extern?uxCriticalNesting;
?extern?pxCurrentTCB;????????????/*?指向當前激活的任務?*/
?extern?vTaskSwitchContext;??????
?
?PRESERVE8
?
?mrs?r0,?psp???????????????????/*?PSP內容存入R0?*/????
?isb???????????????????????????/*?指令同步隔離,清流水線?*/
?
?ldr?r3,?=pxCurrentTCB?????/*?當前激活的任務TCB指針存入R2?*/
?ldr?r2,?[r3]
?
?stmdb?r0!,?{r4-r11}??????????/*?保存剩余的寄存器,異常處理程序執(zhí)行前,硬件自動將xPSR、PC、LR、R12、R0-R3入棧?*/
?str?r0,?[r2]???????/*?將新的棧頂保存到任務TCB的第一個成員中?*/
?
?stmdb?sp!,?{r3,?r14}?????????/*?將R3和R14臨時壓入堆棧，因為即將調用函數(shù)vTaskSwitchContext,調用函數(shù)時,返回地址自動保存到R14中,所以一旦調用發(fā)生,R14的值會被覆蓋,因此需要入棧保護;?R3保存的當前激活的任務TCB指針(pxCurrentTCB)地址,函數(shù)調用后會用到,因此也要入棧保護*/
?mov?r0,?#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY???/*?進入臨界區(qū)?*/
?msr?basepri,?r0
?dsb?????????????????????????/*?數(shù)據(jù)和指令同步隔離?*/
?isb
?bl?vTaskSwitchContext????????/*?調用函數(shù),尋找新的任務運行,通過使變量pxCurrentTCB指向新的任務來實現(xiàn)任務切換?*/
?mov?r0,?#0???????????????????/*?退出臨界區(qū)*/
?msr?basepri,?r0
?ldmia?sp!,?{r3,?r14}?????????/*?恢復R3和R14*/
?
?ldr?r1,?[r3]
?ldr?r0,?[r1]???????/*?當前激活的任務TCB第一項保存了任務堆棧的棧頂,現(xiàn)在棧頂值存入R0*/
?ldmia?r0!,?{r4-r11}??????/*?出棧*/
?msr?psp,?r0
?isb
?bx r14 ?????????????????????/*?異常發(fā)生時,R14中保存異常返回標志,包括返回后進入線程模式還是處理器模式、使用PSP堆棧指針還是MSP堆棧指針，當調用 bx r14指令后，硬件會知道要從異常返回，然后出棧，這個時候堆棧指針PSP已經指向了新任務堆棧的正確位置，當新任務的運行地址被出棧到PC寄存器后，新的任務也會被執(zhí)行。*/
?nop
}
為了便于理解上面的代碼，我們先用流程圖的方式將整個過程畫出來，然后再逐句分析代碼。因為圖形可以簡化程序，并且信息更容易接受。mrs?r0,?psp?
是將任務堆棧指針PSP的值保存到寄存器R0中，因為接下來我們會將寄存器R4~R11也保存到任務堆棧中，但是我們沒有哪個匯編指令能直接操作PSP完成入棧，所以只能借助R0。ldr?r3,?=pxCurrentTCB??????/*?當前激活的任務TCB指針存入R2?*/
ldr?r2,?[r3]
這兩句代碼是獲取當前激活的任務TCP指針，指針pxCurrentTCB前面文章已經提到過很多次了，它是位于tasks.c文件中定義的唯一一個全局指針型變量，指向當前激活的任務TCB。stmdb?r0!,?{r4-r11}
這句代碼用于將寄存器R4~R11保存到當前激活的程序任務堆棧中，并且同步更新寄存器R0的值。str?r0,?[r2]
寄存器R2中保存當前激活的任務TCB指針，在《FreeRTOS高級篇2---FreeRTOS任務創(chuàng)建分析》中講任務TCB數(shù)據(jù)結構時我們知道，任務TCB數(shù)據(jù)結構第一個成員一定是指向任務當前堆棧棧頂?shù)闹羔樧兞?code style="overflow-wrap: break-word;margin-right: 2px;margin-left: 2px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(53, 148, 247);background: rgba(59, 170, 250, 0.1);display: inline-block;padding-right: 2px;padding-left: 2px;border-radius: 2px;height: 21px;line-height: 22px;">pxTopOfStack。這句代碼將R0的內容保存到任務TCB數(shù)據(jù)結構的第一個成員pxTopOfStack中，也就是將最新的任務堆棧指針保存到任務TCB的pxTopOfStack字段中。當任務被激活時，就是從這個字段中獲取任務堆棧指針，然后完成數(shù)據(jù)出棧操作的。stmdb?sp!,?{r3,?r14}
將R3和R14臨時壓入堆棧，因為即將調用函數(shù)vTaskSwitchContext。調用函數(shù)時，返回地址自動保存到R14中，所以一旦調用發(fā)生，R14的值會被覆蓋，因此需要入棧保護。R3保存的當前激活的任務TCB指針(pxCurrentTCB)地址，函數(shù)調用后會用到，因此也要入棧保護。mov?r0,?#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY???
msr?basepri,?r0
這兩句代碼用來進入臨界區(qū)，中斷優(yōu)先級號大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷都會被屏蔽。bl?vTaskSwitchContext
調用函數(shù)，選擇下一個要執(zhí)行的任務，也就是尋找處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務。變量pxCurrentTCB指向找到的任務TCB。這個函數(shù)是核心中的核心，所有的其它代碼都是為了保證這個函數(shù)能正確運行。某些運行FreeRTOS的硬件有兩種方法：「通用方法和特定于硬件的方法」（以下簡稱“特殊方法”）。- 對于通用方法：
configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設置為0或者硬件不支持這種特殊方法。- 可以用于所有FreeRTOS支持的硬件。
- 完全用C實現(xiàn)，效率略低于特殊方法。
- 不強制要求限制最大可用優(yōu)先級數(shù)目
- 對于特殊方法：
- 并非所有硬件都支持。
- 必須將
configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設置為1。 - 依賴一個或多個特定架構的匯編指令（一般是類似計算前導零[CLZ]指令）。
- 比通用方法更高效。
- 一般強制限定最大可用優(yōu)先級數(shù)目為32（0~31）。
vTaskSwitchContext中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()完成任務尋址工作，使用通用方法時，這個宏的代碼如下所示。pxReadyTasksLists是定義在tasks.c中的靜態(tài)列表數(shù)組，表示就緒任務列表數(shù)組。在《FreeRTOS高級篇2---FreeRTOS任務創(chuàng)建分析》中講過這個變量：新創(chuàng)建任務的過程中，任務TCB中的狀態(tài)列表項xStateListItem會掛接到就緒任務列表數(shù)組中。uxTopReadyPriority也是定義在tasks.c中的靜態(tài)變量，在此之前，它已經代表處于就緒態(tài)任務的最高優(yōu)先級值；在FreeRTOS任務創(chuàng)建與分析一文中，我們也講到了這個變量：每次任務創(chuàng)建，都會判斷新任務的優(yōu)先級是否大于這個變量，如果大于，還會更新這個變量的值。while()循環(huán)從優(yōu)先級uxTopReadyPriority開始，從就緒列表數(shù)組pxReadyTasksLists中找出優(yōu)先級最高的任務，然后調用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY獲取最高優(yōu)先級列表中的下一個列表項，并從該列表項中獲取任務TCB指針賦給變量pxCurrentTCB。#define?taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()????????\
{?????????????????\
??/*?從就緒列表數(shù)組中找出最高優(yōu)先級列表*/????\
??while(?listLIST_IS_EMPTY(? 
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