FreeRTOS學習記錄----任務切換_ZenDei技術網路在線

首先，先上結構圖，請對照代碼理解。（一）什麼是任務切換？任務切換就是在就緒列表裡面尋找優先順序最高的就緒任務，然後執行該任務。（二）任務什麼時候切換？ 1）、當執行系統調用的時候，進行任務切換。 2）、當發生滴答定時器（systick）中斷的時候，進行任務切換。情況1：執行系統調用時所謂的系 ...

首先，先上結構圖，請對照代碼理解。

（一）什麼是任務切換？

　　任務切換就是在就緒列表裡面尋找優先順序最高的就緒任務，然後執行該任務。

（二）任務什麼時候切換？

　　1）、當執行系統調用的時候，進行任務切換。

　　2）、當發生滴答定時器（systick）中斷的時候，進行任務切換。

情況1：執行系統調用時

　　所謂的系統調用就是指執行taskYIELD()函數。taskYIELD()是一個巨集。

#define taskYIELD()    portYIELD()

　　接著往下看 portYIELD()函數，它也是一個巨集。

#define portYIELD() 
{ 
    portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; 

    __dsb( portSY_FULL_READ_WRITE ); 
    __isb( portSY_FULL_READ_WRITE ); 
}

　　通過向中斷控制和狀態寄存器ICSR的bit28寫入1掛起PendSV，來啟動PendSV中斷。portNVIC_PENDSVSET_BIT 的值為如下巨集定義。

#define portNVIC_PENDSVSET_BIT        ( 1UL << 28UL )

情況2：發生滴答定時器（systick）中斷的時候

　　OK，第一種情況很簡單，來看看第二種情況，

void SysTick_Handler(void)
{
    if(xTaskGetSchedulerState()!=taskSCHEDULER_NOT_STARTED)//系統已經運行
    {
    　　xPortSysTickHandler();
    }
}

　　定時器中斷中，調用了 xPortSysTickHandler()函數。此函數具體如下：

void xPortSysTickHandler( void )
{
    vPortRaiseBASEPRI();  //關閉中斷
    {
        if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ) //增加時鐘計數器 xTickCount 的值
        {
        portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;  //置為ICSR寄存器bit28來掛起PendSV異常。
        }
    }
    vPortClearBASEPRIFromISR(); //打開中斷
}

可以看出 xPortSysTickHandler()函數，和portYIELD()函數是通過一樣的方法來啟動任務切換的。

（三）如何進行任務切換？

　　PendSV中斷中的xPortPendSVHandler（）是真正實現任務切換的地方，我們來看看源碼：

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
    extern uxCriticalNesting;
    extern pxCurrentTCB;
    extern vTaskSwitchContext;

    PRESERVE8　　　　　　　　//棧的8位元組對齊

    mrs r0, psp　　　　　　　　　　//讀取當前psp進程指針，存入r0
    isb
    /* 獲取當前任務控制塊 */
    ldr    r3, =pxCurrentTCB　　//把pxCurrentTCB的地址給R3,（註意pxCurrrentTCB本身是指針變數），所以r3是地址的地址。
    ldr    r2, [r3]　　　　　　　 //把r3地址中的值給r2，r2中就存儲當前的任務控制塊
    stmdb r0!, {r4-r11, r14}    // 以R0為基地址，依次向下遞減，將寄存器r4-r11存儲到任務棧。             

    /* 保存最新的棧頂指針到當前任務控制塊的第一欄位*/
    str r0, [r2]    　　　　　　//把r0的值存入r2的地址，相當於*r2 = r0

    stmdb sp!, {r3}　　　　　　//將寄存器R3的值臨時壓棧，寄存器r3中仍然保存著當前任務的任務控制塊，
                   　　　　　　//而接下來要調用函數vTaskSwitchContext，防止r3的值被改寫，故臨時壓棧
    
    mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
    msr basepri, r0         //關中斷，進入臨界區
    
    dsb
    isb
    bl vTaskSwitchContext　　//調用函數vTaskSwitchContext，此函數用來獲取下一個要運行的任務，並將pxCurrentTCB更新為要運行的這個任務
    
    mov r0, #0
    msr basepri, r0　　　　　　//開中斷，退出臨界區
    
    ldmia sp!, {r3}   //剛剛保存的寄存器R3的值出棧，恢復寄存器R3的值。註意，經過調用函數vTaskSwitchContext，此時
                      //pxCurrentTCB的值已經改變了，所以讀取R3所保存的地址處的數據就會發現其值改變了，成
                      //為了下一個要運行的任務的任務控制塊。


    ldr r1, [r3]
    ldr r0, [r1]     //獲取新的運行任務的棧頂，並存到r0中去

    /* 出棧內核寄存器中的值 */
    ldmia r0!, {r4-r11, r14}  //含義:：依次出棧 ，將任務棧的值依次出棧賦值給r4-r11。地址向上遞增。  

    msr psp, r0 //更新進程棧指針PSP的值
    isb
    bx r14    //執行此行代碼以後硬體自動恢復寄存器R0~R3、R12、LR、PC和xPSR的值，
　　　　　　　　　　確定異常返回以後應該進入處理器模式還是進程模式，使用主棧指針(MSP)還是進程棧指針(PSP)。  　　　　　　　　
　　　　　　　　　　很明顯這裡會進入進程模式，並且使用進程棧指針(PSP)， 寄存器PC值會被恢復為即將運行的任務的任務函數，新的任務開始運行!
　　　　　　　　　

}

　　ok。這段PendSV中斷服務函數還是比較難以理解的，不懂的可以跳過。接下來看看調用的vTaskSwitchContext()來獲取下一個要運行的任務是怎麼操作的。

void vTaskSwitchContext( void )
{
    if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE ) //如果任務調度器掛起，那麼不進行任務切換
    {
        xYieldPending = pdTRUE;       
    }
    else
    {
        xYieldPending = pdFALSE;
        traceTASK_SWITCHED_OUT();
　　　　　taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();
　　　　　taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();  //調用函數 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()獲取下一個要運行的任務。
　　　　　traceTASK_SWITCHED_IN(); 
　　}　
}

　　taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()本質上是一個巨集，在 tasks.c 中有定義。
　　FreeRTOS 中查找下一個要運行的任務有兩種方法：一個是通用的方法，另外一個就是使用
硬體的方法，這個在我們講解 FreeRTOSCofnig.h 文件的時候就提到過了，至於選擇哪種方法通
過巨集 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 來決定的。當這個巨集為 1 的時候就使
用硬體的方法，否則的話就是使用通用的方法。

1、通用方法：

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() 
{ 
    UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority; 
    while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) ) 
    {
    configASSERT( uxTopPriority ); 
    --uxTopPriority; 
    } 
　　listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); 

　　uxTopReadyPriority = uxTopPriority; 
}

　　pxReadyTasksLists[]為就緒任務列表數組，每一個優先順序都有一個就緒列表。通用方法就是通過while迴圈，從最高優先順序 uxTopReadyPriority開始，

迴圈判斷就緒列表中，哪個不為空。然後再將 uxTopPriority遞減，並且記錄有就緒任務的優先順序。

　　找到了有就緒任務的優先順序之後，接下來調用 listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY（）來獲得列表中的一個列表項，然後將獲得列表項所獲取到的任務控制塊給pxCurrentTCB，這樣就找到了下一個要運行的任務。
這種方法對於任務的數量沒有限制，效率不高。

2、硬體方法：

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() 
{ 
    UBaseType_t uxTopPriority; 

    portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority); //獲取處於就緒態的最高優先順序；

    configASSERT( listCURRENT_LIST_LENGTH( & ( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) )> 0 ); 

    listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); //這一步與通用方法一樣；獲得列表中的列表項，
                                                                                          //然後獲取相應的任務控制塊給pxCurrrentTCB;
}

　　portGET_HIGHEST_PRIORITY 本質上是個巨集，定義如下

#define portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxReadyPriorities )  uxTopPriority = ( 31UL- ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )

　　　註意使用硬體方法的時候，uxTopReadyPriority 就不代表處於就緒態的最高優先順序了，而是每個bit 代表一個優先順序，bit0 代表優先順序0,當某個優先順序有任務的話，就將相應的bit置為1。

　　__clz(uxReadyPriorities)就是計算 uxReadyPriorities 的前導零個數，前導零個數就是指從最高位開始(bit31)到第一個為 1 的 bit，其間 0 的個數。然後用31減去前導0個數，就得到處於就緒態的最高優先順序了。