FreeRTOS簡單內核實現6 優先順序

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0、思考與回答 0.1、思考一 如何實現 RTOS 內核支持多優先順序？ 因為不支持優先順序，所以所有的任務都插入了一個名為 pxReadyTasksLists 的就緒鏈表中，相當於所有任務的優先順序都是一致的，那如果我們創建一個就緒鏈表數組，數組下標代表優先順序，優先順序為 x 的任務就插入到 pxRead ...


0、思考與回答

0.1、思考一

如何實現 RTOS 內核支持多優先順序？

因為不支持優先順序，所以所有的任務都插入了一個名為 pxReadyTasksLists 的就緒鏈表中，相當於所有任務的優先順序都是一致的，那如果我們創建一個就緒鏈表數組，數組下標代表優先順序，優先順序為 x 的任務就插入到 pxReadyTasksLists[x] 中，這樣通過一個就緒鏈表數組就實現了將不同優先順序的任務放在不同的就緒鏈表中，方便在進行任務調度時支持任務優先順序

1、就緒鏈表

1.1、創建

將原來的就緒鏈表修改為就緒鏈表數組

/* task.c */
// 就緒鏈表數組
List_t pxReadyTasksLists[configMAX_PRIORITIES];

configMAX_PRIORITIES 是一個表示 RTOS 內核支持的最大優先順序的巨集定義，值得提醒的是目前 RTOS 支持的最大優先順序數量為 32 個（這與後面使用到的記錄優先順序的點陣圖有關，具體內容會在後面遇到優先順序點陣圖時做介紹）

/* FreeRTOSConfig.h */
// 設置 RTOS 支持的最大優先順序
#define configMAX_PRIORITIES                    5

1.2、初始化

修改就緒鏈表初始化函數，即遍歷整個就緒鏈表數組然後依次對每個就緒鏈表進行初始化，具體如下所示

/* task.c */
// 就緒鏈表始化函數
void prvInitialiseTaskLists(void)
{
	UBaseType_t uxPriority;
	// 初始化就緒任務鏈表
	for(uxPriority = (UBaseType_t)0U;
	    uxPriority < (UBaseType_t)configMAX_PRIORITIES; uxPriority++)
	{
		vListInitialise(&(pxReadyTasksLists[uxPriority]));
	}
}

1.3、添加任務

1.3.1、prvAddNewTaskToReadyList( )

已完成的內核中添加任務到就緒鏈表是對每個任務手動調用 vListInsertEnd() 函數實現的，現在創建一個函數用於在任務創建後自動將其添加到就緒鏈表中，具體函數流程如下所示

  1. 當前系統中任務數量加一
  2. 如果第一次創建任務，就初始化任務相關的鏈表（就緒鏈表數組等）
  3. 如果不是第一次創建任務，就根據任務的優先順序將 pxCurrentTCB 指向最高優先順序任務的 TCB

註意：if(pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority) 判斷 pxCurrentTCB 指向最高優先順序任務的 TCB 時取了 = 號，也就意味著，如果系統中創建了兩個相同優先順序的任務，那啟動調度器後第一個執行的任務將是最後創建的那個任務

任務控制塊的 uxPriority 參數將在 "2.1、TCB" 小節中添加

/* task.c */
// 全局任務計數器
static volatile UBaseType_t uxCurrentNumberOfTasks = (UBaseType_t)0U;

// 添加任務到就緒鏈表中
static void prvAddNewTaskToReadyList(TCB_t* pxNewTCB)
{
	// 進入臨界段
	taskENTER_CRITICAL();
	{
		// 全局任務計數器加一操作
		uxCurrentNumberOfTasks++;
			
		// 如果 pxCurrentTCB 為空，則將 pxCurrentTCB 指向新創建的任務
		if(pxCurrentTCB == NULL)
		{
			pxCurrentTCB = pxNewTCB;
			// 如果是第一次創建任務，則需要初始化任務相關的列表
			if(uxCurrentNumberOfTasks == (UBaseType_t)1)
			{
				// 初始化任務相關的列表
				prvInitialiseTaskLists();
			}
		}
		else 
		// 如果pxCurrentTCB不為空
		// 則根據任務的優先順序將 pxCurrentTCB 指向最高優先順序任務的 TCB 
		{
			if(pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority)
			{
				pxCurrentTCB = pxNewTCB;
			}
		}
		
		// 將任務添加到就緒列表
		prvAddTaskToReadyList(pxNewTCB);
	}
	// 退出臨界段
	taskEXIT_CRITICAL();
}

1.3.2、prvAddTaskToReadyList( )

是怎麼把任務添加到就緒鏈表的？

首先將要添加任務的優先順序記錄在優先順序點陣圖中，然後通過 vListInsertEnd() 函數將任務插入到對應優先順序的就緒鏈表中，具體如下所示

/* task.c */
// 32位的優先順序點陣圖，預設全 0 ，記錄了所有存在的優先順序
static volatile UBaseType_t uxTopReadyPriority = 0;

// 根據任務優先順序置位優先順序點陣圖
#define taskRECORD_READY_PRIORITY(uxPriority)	portRECORD_READY_PRIORITY(uxPriority, uxTopReadyPriority)

// 根據任務優先順序添加任務到對應的就緒鏈表
#define prvAddTaskToReadyList(pxTCB) \
	taskRECORD_READY_PRIORITY((pxTCB)->uxPriority); \
	vListInsertEnd(&(pxReadyTasksLists[(pxTCB)->uxPriority]), \
	               &((pxTCB)->xStateListItem)); \

什麼是優先順序點陣圖？

優先順序點陣圖本質是一個 32 位的數，如果有對應的優先順序任務，就將優先順序點陣圖這個變數的對應位標記為 1 （比如當前任務的優先順序為 2 ，則將優先順序點陣圖的從右向左第二位置一）

為什麼要使用優先順序點陣圖記錄任務優先順序？

方便快速找到當前系統中存在的最高優先順序，通過計算優先順序點陣圖的前導零個數，然後讓 31 減去前導零個數就可以很快找到最高優先順序

/* protMacro.h */
#define portRECORD_READY_PRIORITY(uxPriority, uxReadyPriorities) (uxReadyPriorities) |= (1UL << (uxPriority))

1.4、尋找最高優先順序任務

RTOS 支持任務優先順序後，任務的調度策略就可以修改為始終讓系統中處於就緒態的最高優先順序的任務得到執行，因此我們需要尋找最高優先順序任務，尋找到之後將 pxCurrentTCB 指向該任務，然後任務調度切換任務時就會切換到該最高優先順序的任務

/* task.c */
// 找到就緒列表最高優先順序的任務並更新到 pxCurrentTCB
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \
{ \
	UBaseType_t uxTopPriority; \
	/* 尋找最高優先順序 */ \
	portGET_HIGHEST_PRIORITY(uxTopPriority, uxTopReadyPriority); \
	/* 獲取優先順序最高的就緒任務的 TCB，然後更新到 pxCurrentTCB */ \
	listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, \
	                            &(pxReadyTasksLists[uxTopPriority])); \
}

獲取系統中存在的最高優先順序任務的原理正如 "1.3.2、prvAddTaskToReadyList( )" 小節中 ”為什麼要使用優先順序點陣圖記錄任務優先順序？“ 問題所述內容

/* protMacro.h */
#define portGET_HIGHEST_PRIORITY(uxTopPriority, uxReadyPriorities) uxTopPriority = (31UL - (uint32_t) __clz((uxReadyPriorities)))

2、修改內核程式

2.1、TCB

在任務控制塊中增加任務優先順序參數

/* task.h */
typedef struct tskTaskControlBlock
{
	// 省略之前的結構體成員定義
    UBaseType_t           uxPriority;                           // 優先順序
}tskTCB;

2.2、xTaskCreateStatic( )

修改靜態創建任務函數，在參數列表中增加任務優先順序參數，然後將創建好的任務直接自動添加到就緒鏈表中，不再需要額外手動將任務插入

/* task.c */
// 靜態創建任務函數
#if (configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1)
TaskHandle_t xTaskCreateStatic(TaskFunction_t pxTaskCode,
                            const char* const pcName,
                            const uint32_t ulStackDepth,
                            void* const pvParameters,         
                            UBaseType_t uxPriority,           // 優先順序
                            StackType_t* const puxTaskBuffer,
                            TCB_t* const pxTaskBuffer)
{
	// 省略未改變的代碼
	......
		// 真正的創建任務函數
		prvInitialiseNewTask(pxTaskCode,
							 pcName,
							 ulStackDepth,
							 pvParameters,
							 uxPriority,                      // 優先順序
							 &xReturn,
							 pxNewTCB);
	
		// 創建完任務自動將任務添加到就緒鏈表
		prvAddNewTaskToReadyList(pxNewTCB);
	// 省略未改變的代碼
	......
}
#endif

/* task.h */
// 函數聲明
TaskHandle_t xTaskCreateStatic(TaskFunction_t pxTaskCode,
                            const char* const pcName,
                            const uint32_t ulStackDepth,
                            void* const pvParameters,
                            UBaseType_t uxPriority,           // 優先順序
                            StackType_t* const puxTaskBuffer,
                            TCB_t* const pxTaskBuffer);

2.3、prvInitialiseNewTask( )

由於增加了優先順序參數，因此需要在真正的創建任務函數中增加對任務優先順序初始化的部分，具體如下所示

/* task.c */
// 真正的創建任務函數																 
static void prvInitialiseNewTask(TaskFunction_t pxTaskCode,
                            const char* const pcName,
                            const uint32_t ulStackDepth,
                            void* const pvParameters,
                            UBaseType_t uxPriority,
                            TaskHandle_t* const pxCreatedTask,
                            TCB_t* pxNewTCB)
{
	// 省略未改變的代碼
	......
	// 初始化優先順序
	if(uxPriority >= (UBaseType_t)configMAX_PRIORITIES)
	{
		uxPriority = (UBaseType_t)configMAX_PRIORITIES - (UBaseType_t)1U;
	}
	pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
	
	if((void*)pxCreatedTask != NULL)
	{
	    *pxCreatedTask = (TaskHandle_t)pxNewTCB;
	}
}

2.4、vTaskStartScheduler( )

由於在啟動任務調度器函數中創建了空閑任務，因此還需要在創建空閑任務的參數列表中增加優先順序參數，為了不搶占任何其他任務的運行，空閑任務的優先順序應該保持為最低優先順序，使用 taskIDLE_PRIORITY 巨集定義表示，具體如下所示

/* task.c */
// 啟動任務調度器
void vTaskStartScheduler(void)
{
    // 創建空閑任務
	TaskHandle_t xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)prvIdleTask,
                                      (char *)"IDLE",
                                      (uint32_t)confgiMINIMAL_STACK_SIZE,
                                      (void *)NULL,
                                      (UBaseType_t)taskIDLE_PRIORITY,
                                      (StackType_t *)IdleTasKStack,
                                      (TCB_t *)&IdleTaskTCB);
	
	if(xPortStartScheduler() != pdFALSE){}
}

/* task.h */
// 空閑任務優先順序最低
#define taskIDLE_PRIORITY              ((UBaseType_t) 0U)

2.5、vTaskDelay( )

當一個任務調用阻塞延時函數時，可以將其優先順序從優先順序點陣圖上清除掉，這樣在尋找最高優先順序任務時就不會找到阻塞狀態的該任務

值得提醒的是，這種做法雖然可以簡單的達到讓進入阻塞狀態的任務暫時脫離調度的效果，但是由於其仍然存在就緒鏈表中，並不是真正的從就緒鏈表中移除，因此在遍歷就緒鏈表對就緒態的任務操作時會產生額外的操作

/* task.c */
// 阻塞延時函數
void vTaskDelay(const TickType_t xTicksToDelay)
{
	// 省略未修改程式
    ......
    // 將任務從優先順序點陣圖上清除，這樣調度時就不會找到該任務
    taskRESET_READY_PRIORITY(pxTCB->uxPriority);
    // 主動產生任務調度，讓出 MCU 
    taskYIELD();
}

/* task.c */
// 根據任務優先順序清除優先順序點陣圖
#define taskRESET_READY_PRIORITY(uxPriority) \
{ \
	portRESET_READY_PRIORITY((uxPriority), (uxTopReadyPriority)); \
}

與置位優先順序點陣圖原理剛好相反，清除優先順序點陣圖則是根據任務的優先順序將優先順序點陣圖上對應的位清零，具體如下所示

/* protMacro.h */
#define portRESET_READY_PRIORITY(uxPriority, uxReadyPriorities) (uxReadyPriorities) &= ~(1UL << (uxPriority))

2.6、vTaskSwitchContext( )

任務調度函數中始終選擇系統中就緒狀態的最高優先順序任務

/* task.c */
// 任務調度函數
void vTaskSwitchContext(void)
{
	taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
}

2.7、xTaskIncrementTick( )

更新任務阻塞延時參數，如果任務延時時間到期，將其任務優先順序在優先順序點陣圖上恢復，然後產生任務調度切換任務

/* task.c */
// 更新任務延時參數
void xTaskIncrementTick(void)
{
	TCB_t *pxTCB = NULL;
	uint8_t i =0;
	uint8_t xSwitchRequired = pdFALSE;
	
	// 更新 xTickCount 系統時基計數器
	const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
	xTickCount = xConstTickCount;
	
	// 掃描就緒列表中所有任務,如果延時時間不為 0 則減 1 
	for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
	{
		pxTCB = (TCB_t *)listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY((&pxReadyTasksLists[i]));
		if(pxTCB->xTicksToDelay > 0)
		{
			pxTCB->xTicksToDelay--;
		}
		// 延時時間到，將任務就緒
		else 
		{
			taskRECORD_READY_PRIORITY(pxTCB->uxPriority);
			xSwitchRequired = pdTRUE;
		}
	}
	// 如果就緒鏈表中有任務從阻塞狀態恢復就產生任務調度
	if(xSwitchRequired == pdTRUE){
		// 產生任務調度
		portYIELD();
	}
}

3、實驗

3.1、測試

測試程式與 FreeRTOS簡單內核實現5 阻塞延時 幾乎一致，但是已經不需要我們手動將任務插入就緒鏈表中了，不過創建任務時需要額外指定任務的優先順序參數，另外我們添加一個模擬任務一直運行的延時函數，具體如下所示

/* main.c */
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "FreeRTOS.h"
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN PV */
// 軟體延時
void delay(uint32_t count)
{
	for(;count!=0;count--);
}

TaskHandle_t Task1_Handle;
#define TASK1_STACK_SIZE                    128
StackType_t Task1Stack[TASK1_STACK_SIZE];
TCB_t Task1TCB;
UBaseType_t Task1Priority = 1;

TaskHandle_t Task2_Handle;
#define TASK2_STACK_SIZE                    128
StackType_t Task2Stack[TASK2_STACK_SIZE];
TCB_t Task2TCB;
UBaseType_t Task2Priority = 2;

// 任務 1 入口函數
void Task1_Entry(void *parg)
{
	for(;;)
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(GREEN_LED_GPIO_Port, GREEN_LED_Pin);
		vTaskDelay(100);
	}
}
// 任務 2 入口函數
void Task2_Entry(void *parg)
{
	for(;;)
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(ORANGE_LED_GPIO_Port, ORANGE_LED_Pin);
		// 模擬高優先順序任務一直運行
		delay(10000000);
	}
}
/* USER CODE END PV */

/* USER CODE BEGIN 2 */
// 創建任務 1 和 2
Task1_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)Task1_Entry,
								 (char *)"Task1",
								 (uint32_t)TASK1_STACK_SIZE,
								 (void *)NULL,
								 (UBaseType_t)Task1Priority,
								 (StackType_t *)Task1Stack,
								 (TCB_t *)&Task1TCB);
														
Task2_Handle = xTaskCreateStatic((TaskFunction_t)Task2_Entry,
								 (char *)"Task2",
								 (uint32_t)TASK2_STACK_SIZE,
								 (void *) NULL,
								 (UBaseType_t)Task2Priority,
								 (StackType_t *)Task2Stack,
								 (TCB_t *)&Task2TCB );
// 啟動任務調度器，永不返回
vTaskStartScheduler();
/* USER CODE END 2 */

使用邏輯分析儀捕獲 GREEN_LED 和 ORANGE_LED 兩個引腳的電平變化，具體如下圖所示

可以發現因為我們使用軟體延時模擬高優先順序 Task2 任務一直運行，導致低優先順序的 Task1 任務完全沒時間運行，也即 Task1 被餓死了

將 Task1 的優先順序修改為 3 ，重新編譯燒錄程式再次觀察兩個引腳的電平變化，具體如下圖所示

可以發現 Task1 不再被餓死，通過上述測試可以證明目前的 RTOS 已經支持多任務優先順序

3.2、待改進

當前 RTOS 簡單內核已實現的功能有

  1. 靜態方式創建任務
  2. 手動切換任務
  3. 臨界段保護
  4. 任務阻塞延時
  5. 支持任務優先順序

當前 RTOS 簡單內核存在的缺點有

  1. 缺少阻塞鏈表
  2. 不支持時間片輪詢

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