FreeRTOS任务相关的代码大约占据了整个代码的大约一半。这些代码都致力于一个目标,那就是找到优先级最高的就绪任务,并让其获得CPU运行权。
任务切换是实现这一过程的直接执行者。为了更高效地找到优先级最高的就绪任务,任务切换的代码通常经过精心设计,甚至可能使用汇编指令或与硬件相关的特性,例如Cortex-M3的CLZ指令。
因此,任务切换的大部分代码是由硬件移植层提供的,而具体实现方法可能因不同的平台而有所差异。
“这篇文章以Cortex-M3为例,介绍了FreeRTOS任务切换的过程。”
“FreeRTOS有两种方法可以触发任务切换:”
-
执行系统调用,例如普通任务可以使用 taskYIELD()
来强制任务切换,中断服务程序可以使用portYIELD_FROM_ISR()
来强制任务切换; -
系统节拍时钟中断
对于Cortex-M3平台,这两种方法的实质是相同的,它们都会启用一个PendSV中断。在PendSV中断服务程序中,会找到优先级最高的就绪任务,并使其获得CPU运行权,从而完成任务切换。
对于第一种任务切换方法,无论是使用taskYIELD()
还是portYIELD_FROM_ISR()
,最终都会执行宏portYIELD()
。该宏的定义如下所示:
#define portYIELD() \
{ \
/*产生PendSV中断*/ \
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \
}
对于第二种任务切换方法,在系统节拍时钟中断服务函数中,首先会更新tick计数器的值、查看是否有任务解除阻塞,如果有任务解除阻塞的话,则使能PandSV中断,代码如下所示:
void xPortSysTickHandler( void )
{
/* 设置中断掩码 */
vPortRaiseBASEPRI();
{
/* 增加tick计数器值,并检查是否有任务解除阻塞 */
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
/* 需要任务切换。产生PendSV中断 */
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
}
}
vPortClearBASEPRIFromISR();
}
从上面的代码中可以看出,PendSV中断的产生是通过代码:
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT
实现的,它向中断状态寄存器bit28位写入1,将PendSV中断设置为挂起状态;
等到优先级高于PendSV的中断执行完成后,PendSV中断服务程序将被执行,进行任务切换工作。
Cortex-M3架构下,PendSV中断服务程序源码如下所示,这篇文章重点分析这段代码。
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
extern uxCriticalNesting;
extern pxCurrentTCB; /* 指向当前激活的任务 */
extern vTaskSwitchContext;
PRESERVE8
mrs r0, psp /* PSP内容存入R0 */
isb /* 指令同步隔离,清流水线 */
ldr r3, =pxCurrentTCB /* 当前激活的任务TCB指针存入R2 */
ldr r2, [r3]
stmdb r0!, {r4-r11} /* 保存剩余的寄存器,异常处理程序执行前,硬件自动将xPSR、PC、LR、R12、R0-R3入栈 */
str r0, [r2] /* 将新的栈顶保存到任务TCB的第一个成员中 */
stmdb sp!, {r3, r14} /* 将R3和R14临时压入堆栈,因为即将调用函数vTaskSwitchContext,调用函数时,返回地址自动保存到R14中,所以一旦调用发生,R14的值会被覆盖,因此需要入栈保护; R3保存的当前激活的任务TCB指针(pxCurrentTCB)地址,函数调用后会用到,因此也要入栈保护*/
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY /* 进入临界区 */
msr basepri, r0
dsb /* 数据和指令同步隔离 */
isb
bl vTaskSwitchContext /* 调用函数,寻找新的任务运行,通过使变量pxCurrentTCB指向新的任务来实现任务切换 */
mov r0, #0 /* 退出临界区*/
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14} /* 恢复R3和R14*/
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1] /* 当前激活的任务TCB第一项保存了任务堆栈的栈顶,现在栈顶值存入R0*/
ldmia r0!, {r4-r11} /* 出栈*/
msr psp, r0
isb
bx r14 /* 异常发生时,R14中保存异常返回标志,包括返回后进入线程模式还是处理器模式、使用PSP堆栈指针还是MSP堆栈指针,当调用 bx r14指令后,硬件会知道要从异常返回,然后出栈,这个时候堆栈指针PSP已经指向了新任务堆栈的正确位置,当新任务的运行地址被出栈到PC寄存器后,新的任务也会被执行。*/
nop
}
为了便于理解上面的代码,我们先用流程图的方式将整个过程画出来,然后再逐句分析代码。因为图形可以简化程序,并且信息更容易接受。
图1-1:任务切换流程
先强调图1-1中的几个术语,首先是“主堆栈指针MSP”和“进程堆栈指针PSP”。
对于Cortex-M3硬件,当系统复位后,默认使用MSP指针。
MSP指针用于操作系统内核以及处理异常(也就是说中断服务程序中默认强制使用MSP指针,这是硬件自动设置的)。
任务(进程)使用PSP指针,操作系统负责从MSP指针切换到PSP指针。
这个过程在《FreeRTOS高级篇3—启动调度器》一文的最后部分中「进行了讲解」:
在SVC中断服务程序中启动第一个任务,当从SVC中断服务退出前,通过向r14寄存器最后4位按位或上0x0D,使得硬件在退出时使用进程堆栈指针PSP完成出栈操作并返回后进入线程模式、返回Thumb状态。
其次,“堆栈”和“任务堆栈”也值得强调一下。
每个任务都有自己的“任务堆栈”,在任务创建时会创建指定大小的任务堆栈,这是任务能够独立运行的前提条件之一。
在任务中定义的局部变量,会优先使用寄存器,寄存器不够时就使用任务堆栈的空间。
如果在任务中调用其它函数,则调用前的保存信息也存到任务堆栈中去。
根据任务代码来估算任务堆栈的大小是件十分重要的技能。
前面也说了,Cortex-M3硬件有两个堆栈指针,操作系统内核以及异常处理程序中使用MSP指针,所以它们也需要一个堆栈空间,我们称之为“堆栈”;
这个堆栈空间和任务堆栈空间在物理上是绝对不可以重叠的,图1-2展示了一个编译好的程序可能的RAM分配情况(堆栈向下生长)。
图1-2:RAM中的变量和堆栈分布示意图
有了上面的基础,接下来我们来分析PendSV中断服务程序。
mrs r0, psp
是将任务堆栈指针PSP的值保存到寄存器R0中,因为接下来我们会将寄存器R4~R11也保存到任务堆栈中,但是我们没有哪个汇编指令能直接操作PSP完成入栈,所以只能借助R0。
ldr r3, =pxCurrentTCB /* 当前激活的任务TCB指针存入R2 */
ldr r2, [r3]
这两句代码是获取当前激活的任务TCP指针,指针pxCurrentTCB
前面文章已经提到过很多次了,它是位于tasks.c文件中定义的唯一一个全局指针型变量,指向当前激活的任务TCB。
stmdb r0!, {r4-r11}
这句代码用于将寄存器R4~R11保存到当前激活的程序任务堆栈中,并且同步更新寄存器R0的值。
str r0, [r2]
寄存器R2中保存当前激活的任务TCB指针,在《FreeRTOS高级篇2—FreeRTOS任务创建分析》中讲任务TCB数据结构时我们知道,任务TCB数据结构第一个成员一定是指向任务当前堆栈栈顶的指针变量pxTopOfStack
。
这句代码将R0的内容保存到任务TCB数据结构的第一个成员pxTopOfStack
中,也就是将最新的任务堆栈指针保存到任务TCB的pxTopOfStack
字段中。
当任务被激活时,就是从这个字段中获取任务堆栈指针,然后完成数据出栈操作的。
stmdb sp!, {r3, r14}
将R3和R14临时压入堆栈,因为即将调用函数vTaskSwitchContext
。调用函数时,返回地址自动保存到R14中,所以一旦调用发生,R14的值会被覆盖,因此需要入栈保护。
R3保存的当前激活的任务TCB指针(pxCurrentTCB)
地址,函数调用后会用到,因此也要入栈保护。
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
msr basepri, r0
这两句代码用来进入临界区,中断优先级号大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
的中断都会被屏蔽。
bl vTaskSwitchContext
调用函数,选择下一个要执行的任务,也就是寻找处于就绪态的最高优先级任务。
变量pxCurrentTCB
指向找到的任务TCB。这个函数是核心中的核心,所有的其它代码都是为了保证这个函数能正确运行。
某些运行FreeRTOS的硬件有两种方法:「通用方法和特定于硬件的方法」(以下简称“特殊方法”)。
-
对于通用方法:
-
configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION
设置为0或者硬件不支持这种特殊方法。 -
可以用于所有FreeRTOS支持的硬件。 -
完全用C实现,效率略低于特殊方法。 -
不强制要求限制最大可用优先级数目
-
对于特殊方法:
-
并非所有硬件都支持。 -
必须将 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION
设置为1。 -
依赖一个或多个特定架构的汇编指令(一般是类似计算前导零[CLZ]指令)。 -
比通用方法更高效。 -
一般强制限定最大可用优先级数目为32(0~31)。
Cortex-M3即支持通用方法也支持特殊方法,默认的移植层使用特殊方法。我们先来看一下通用方法如何找到下一个要执行的任务。
在函数vTaskSwitchContext
中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()
完成任务寻址工作,使用通用方法时,这个宏的代码如下所示。
pxReadyTasksLists
是定义在tasks.c中的静态列表数组,表示就绪任务列表数组。
在《FreeRTOS高级篇2—FreeRTOS任务创建分析》中讲过这个变量:新创建任务的过程中,任务TCB中的状态列表项xStateListItem
会挂接到就绪任务列表数组中。
uxTopReadyPriority
也是定义在tasks.c中的静态变量,在此之前,它已经代表处于就绪态任务的最高优先级值;
在FreeRTOS任务创建与分析一文中,我们也讲到了这个变量:每次任务创建,都会判断新任务的优先级是否大于这个变量,如果大于,还会更新这个变量的值。
while()循环从优先级uxTopReadyPriority
开始,从就绪列表数组pxReadyTasksLists
中找出优先级最高的任务,然后调用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY
获取最高优先级列表中的下一个列表项,并从该列表项中获取任务TCB指针赋给变量pxCurrentTCB
。
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \
{ \
/* 从就绪列表数组中找出最高优先级列表*/ \
while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ) ) \
{ \
configASSERT( uxTopReadyPriority ); \
--uxTopReadyPriority; \
} \
\
/* 相同优先级的任务使用时间片共享处理器就是通过这个宏实现*/ \
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ); \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */
对于Cortex-M3硬件,还支持特殊方法选择下一个要执行的任务,那就是利用硬件提供的计算前导零指令CLZ。
特殊方法时,宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()
的代码如下所示。
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \
{ \
UBaseType_t uxTopPriority; \
\
/* 从就绪列表数组中找出最高优先级列表*/ \
portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority ); \
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */
与通用方法相比,可以发现从就绪列表数组中找出最高优先级列表代码不同了,特殊方法使用宏portGET_HIGHEST_PRIORITY
来实现,将宏定义替换后,代码为:
uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( (uxTopReadyPriority) ) )
在此之前,静态变量uxTopReadyPriority
同样已经包含处于就绪态任务的最高优先级的信息。
与通用方法中使用任务优先级数值不同,在特殊方法中,uxTopReadyPriority
使用每一位来表示任务,比如变量uxTopReadyPriority
的bit0为1,则表示存在优先级为0的就绪任务,bit10为1则表示存在优先级为10的就绪任务。
由于32位整形数最多只有32位,因此使用这种特殊方法限定最大可用优先级数目为32,即优先级0~31。
我们这来看看__clz( (uxTopReadyPriority)
是什么意思,__clz()会被汇编指令CLZ替换掉,这个指令用来计算一个变量从最高位开始的连续零的个数。
举个例子,假如变量uxTopReadyPriority
为0x09(二进制为:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001),即bit3和bit0为1,表示存在优先级为0和3的就绪任务。
则__clz( (uxTopReadyPriority)
的值为28,uxTopPriority
=31-28=3,即优先级为3的任务是就绪态最高优先级任务。
下面的代码跟通用方法一样,调用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY
获取最高优先级列表中的下一个列表项,并从该列表项中获取任务TCB指针赋给变量pxCurrentTCB
。
mov r0, #0 /* 退出临界区*/
msr basepri, r0
这两句代码用来退出临界区,通过向寄存器BASEPRI写入数值0来实现。
ldmia sp!, {r3, r14}
这句代码将寄存器R3和R14从堆栈中恢复,现在R3保存变量pxCurrentTCB
的地址;
「需要注意的是」,变量pxCurrentTCB
在函数vTaskSwitchContext
中可能已被修改,指向新的最高优先级就绪任务;R14保存退出异常需要的信息。
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]
这两句代码获取变量pxCurrentTCB
指向的任务TCB指针,并将TCB的第一个成员——当前堆栈栈顶的指针变量pxTopOfStack
的值保存到寄存器R0中,也就是将即将运行的任务堆栈栈顶值存入R0。
ldmia r0!, {r4-r11}
将寄存器R4~R11出栈,并同时更新R0的值。
msr psp, r0
将最新的任务堆栈栈顶赋值给线程堆栈指针PSP。
bx r14
从异常中断服务程序退出。异常发生时,R14中保存异常返回标志,包括返回后进入线程模式还是处理器模式、使用PSP堆栈指针还是MSP堆栈指针。
当调用 bx r14指令后,硬件会知道要从异常返回,然后出栈,这个时候堆栈指针PSP已经指向了新任务堆栈的正确位置,当新任务的运行地址被出栈到PC寄存器后,新的任务也会被执行。
至此,任务切换完成。
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