freertos實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)空閑任務(wù)阻塞延時(shí)示例解析

更新時(shí)間：2022年04月07日 10:53:21 作者：jym蒟蒻

這篇文章主要為大家介紹了freertos實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的空閑任務(wù)及阻塞延時(shí)示例解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

前言

阻塞態(tài)：如果一個(gè)任務(wù)當(dāng)前正在等待某個(gè)外部事件，則稱(chēng)它處于阻塞態(tài)。

rtos中的延時(shí)叫阻塞延時(shí)，即任務(wù)需要延時(shí)的時(shí)候，會(huì)放棄CPU的使用權(quán),進(jìn)入阻塞狀態(tài)。在任務(wù)阻塞的這段時(shí)間，CPU可以去執(zhí)行其它的任務(wù)(如果其它的任務(wù)也在延時(shí)狀態(tài)，那么 CPU 就將運(yùn)行空閑任務(wù))，當(dāng)任務(wù)延時(shí)時(shí)間到，重新獲取 CPU 使用權(quán)，任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。

空閑任務(wù)：處理器空閑的時(shí)候，運(yùn)行的任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有其他就緒任務(wù)時(shí)，空閑任務(wù)開(kāi)始運(yùn)行，空閑任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是最低的。

空閑任務(wù)

定義空閑任務(wù)：

#define portSTACK_TYPE	uint32_t
typedef portSTACK_TYPE StackType_t;
/*定義空閑任務(wù)的棧*/
#define configMINIMAL_STACK_SIZE	( ( unsigned short ) 128 )
StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE];
/*定義空閑任務(wù)的任務(wù)控制塊*/
TCB_t IdleTaskTCB;

創(chuàng)建空閑任務(wù)：在vTaskStartScheduler調(diào)度器啟動(dòng)函數(shù)中創(chuàng)建。

/*任務(wù)控制塊的結(jié)構(gòu)體 */
typedef struct tskTaskControlBlock
{
	volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 棧頂 */

	ListItem_t			    xStateListItem;   /* 任務(wù)節(jié)點(diǎn) */
    
    StackType_t             *pxStack; /* 任務(wù)棧起始地址 */
	                                          
	char     pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/* 任務(wù)名稱(chēng)，字符串形式 */

    TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延時(shí) */
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

/*獲取獲取空閑任務(wù)的內(nèi)存：任務(wù)控制塊、任務(wù)棧起始地址、任務(wù)棧大小*/
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer, 
                                    StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer, 
                                    uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{
		*ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;//空閑任務(wù)的任務(wù)控制塊
		*ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack; //空閑任務(wù)的任務(wù)棧
		*pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;//棧的大小
}
void vTaskStartScheduler( void )
{
/*創(chuàng)建空閑任務(wù)start*/     

    TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;               /* 用于指向空閑任務(wù)控制塊 */
    StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;       /* 用于空閑任務(wù)棧起始地址 */
    uint32_t ulIdleTaskStackSize;
    
    /* 獲?。喝蝿?wù)控制塊、任務(wù)棧起始地址、任務(wù)棧大小 */
    vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, 
                                   &pxIdleTaskStackBuffer, 
                                   &ulIdleTaskStackSize );    
    /*創(chuàng)建空閑任務(wù)*/
    xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask,              /* 任務(wù)入口 */
					                     (char *)"IDLE",                           /* 任務(wù)名稱(chēng)，字符串形式 */
					                     (uint32_t)ulIdleTaskStackSize ,           /* 任務(wù)棧大小，單位為字 */
					                     (void *) NULL,                            /* 任務(wù)形參 */
					                     (StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer,     /* 任務(wù)棧起始地址 */
					                     (TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer );           /* 任務(wù)控制塊 */
    /* 將任務(wù)添加到就緒列表 */                                 
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ), &( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) );
    
/*創(chuàng)建空閑任務(wù)end*/
                                         
    /* 手動(dòng)指定第一個(gè)運(yùn)行的任務(wù) */
    pxCurrentTCB = &Task1TCB;
    /* 初始化系統(tǒng)時(shí)基計(jì)數(shù)器 */
    xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
    /* 啟動(dòng)調(diào)度器 */
    if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
    {
        /* 調(diào)度器啟動(dòng)成功，則不會(huì)返回，即不會(huì)來(lái)到這里 */
    }
}
//下面是空閑任務(wù)的任務(wù)入口，看到，里面什么都沒(méi)做
//這個(gè)我用debug發(fā)現(xiàn)一直卡到這個(gè)for不動(dòng)了。
//通過(guò)單步運(yùn)行，發(fā)生了中斷，程序也無(wú)法進(jìn)入中斷。
static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters )
{
	/* 防止編譯器的警告 */
	( void ) pvParameters;
    for(;;)
    {
        /* 空閑任務(wù)暫時(shí)什么都不做 */
    }
}

阻塞延時(shí)

任務(wù)函數(shù)如下：延時(shí)函數(shù)由軟件延時(shí)替代為阻塞延時(shí)。

void Task1_Entry( void *p_arg )
{
	for( ;; )
	{
#if 0        
		flag1 = 1;
		delay( 100 );/*軟件延時(shí)*/		
		flag1 = 0;
		delay( 100 );
		/* 線程切換，這里是手動(dòng)切換 */
        portYIELD();
#else
		flag1 = 1;
        vTaskDelay( 2 );/*阻塞延時(shí)*/		
		flag1 = 0;
        vTaskDelay( 2 );
#endif        
	}
}

任務(wù)函數(shù)里面調(diào)用了vTaskDelay阻塞延時(shí)函數(shù)，如下。

/*阻塞延時(shí)函數(shù)的定義 */
void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    /* 獲取當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊 */
    pxTCB = pxCurrentTCB;
    /* 設(shè)置延時(shí)時(shí)間：xTicksToDelay個(gè)SysTick延時(shí)周期 */
    pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;
    /* 任務(wù)切換 */
    taskYIELD();
}

然后vTaskDelay里面調(diào)用了taskYIELD函數(shù)，如下。目的是產(chǎn)生PendSV中斷，進(jìn)入PendSV中斷服務(wù)函數(shù)。

/* Interrupt control and state register (SCB_ICSR)：0xe000ed04
 * Bit 28 PENDSVSET: PendSV set-pending bit
 */
#define portNVIC_INT_CTRL_REG		( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed04 ) )
#define portNVIC_PENDSVSET_BIT		( 1UL << 28UL )
#define portSY_FULL_READ_WRITE		( 15 )
/* Scheduler utilities. */
#define portYIELD()																\
{																				\
	/* 設(shè)置 PendSV 的中斷掛起位，產(chǎn)生上下文切換 */								\
	portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;								\																				\
	/* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely	\
	within the specified behaviour for the architecture. */						\
	__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
	__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
}

PendSV中斷服務(wù)函數(shù)如下，里面調(diào)用了vTaskSwitchContext上下文切換函數(shù)，目的是尋找最高優(yōu)先級(jí)的就緒任務(wù)，然后更新pxCurrentTCB。

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
//	extern uxCriticalNesting;
	extern pxCurrentTCB;
	extern vTaskSwitchContext;
	PRESERVE8
    /* 當(dāng)進(jìn)入PendSVC Handler時(shí)，上一個(gè)任務(wù)運(yùn)行的環(huán)境即：
       xPSR，PC（任務(wù)入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任務(wù)的形參）
       這些CPU寄存器的值會(huì)自動(dòng)保存到任務(wù)的棧中，剩下的r4~r11需要手動(dòng)保存 */
    /* 獲取任務(wù)棧指針到r0 */
	mrs r0, psp
	isb
	ldr	r3, =pxCurrentTCB		/* 加載pxCurrentTCB的地址到r3 */
	ldr	r2, [r3]                /* 加載pxCurrentTCB到r2 */

	stmdb r0!, {r4-r11}			/* 將CPU寄存器r4~r11的值存儲(chǔ)到r0指向的地址 */
	str r0, [r2]                /* 將任務(wù)棧的新的棧頂指針存儲(chǔ)到當(dāng)前任務(wù)TCB的第一個(gè)成員，即棧頂指針 */				
                               	stmdb sp!, {r3, r14}        
	mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    /* 進(jìn)入臨界段 */
	msr basepri, r0
	dsb
	isb
	bl vTaskSwitchContext       /* 調(diào)用函數(shù)vTaskSwitchContext，尋找新的任務(wù)運(yùn)行,通過(guò)使變量pxCurrentTCB指向新的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換 */ 
	mov r0, #0                  /* 退出臨界段 */
	msr basepri, r0
	ldmia sp!, {r3, r14}        /* 恢復(fù)r3和r14 */
	ldr r1, [r3]
	ldr r0, [r1] 				/* 當(dāng)前激活的任務(wù)TCB第一項(xiàng)保存了任務(wù)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                      
	nop
}

vTaskSwitchContext上下文切換函數(shù)如下。

任務(wù)需要延時(shí)的時(shí)候，會(huì)放棄CPU的使用權(quán)，進(jìn)入阻塞狀態(tài)。在任務(wù)阻塞的這段時(shí)間，CPU可以去執(zhí)行其它的任務(wù)(如果其它的任務(wù)也在延時(shí)狀態(tài)，那么 CPU 就將運(yùn)行空閑任務(wù))，當(dāng)任務(wù)延時(shí)時(shí)間到，重新獲取 CPU 使用權(quán)，任務(wù)繼續(xù)運(yùn)行。

void vTaskSwitchContext( void )
{
	if( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB )//如果當(dāng)前線程是空閑線程
	{
		if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)//如果線程1延時(shí)時(shí)間結(jié)束
		{            
            pxCurrentTCB =&Task1TCB;//切換到線程1
		}
		else if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)//如果線程2延時(shí)時(shí)間結(jié)束(線程1在延時(shí)中)
		{
            pxCurrentTCB =&Task2TCB;//切換到線程2
		}
		else
		{
			return;		/* 線程延時(shí)均沒(méi)有到期則返回，繼續(xù)執(zhí)行空閑線程 */
		} 
	}
	else//當(dāng)前任務(wù)不是空閑任務(wù)
	{
		if(pxCurrentTCB == &Task1TCB)//如果當(dāng)前線程是線程1
		{
			if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)//如果線程2不在延時(shí)中
			{
                pxCurrentTCB =&Task2TCB;//切換到線程2
			}
			else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)//如果線程1進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)(線程2也在延時(shí)中)
			{
                pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;//切換到空閑線程
			}
			else 
			{
				return;		/* 返回，不進(jìn)行切換 */
			}
		}
		else if(pxCurrentTCB == &Task2TCB)//如果當(dāng)前線程是線程2
		{
			if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)//如果線程1不在延時(shí)中
			{
                pxCurrentTCB =&Task1TCB;//切換到線程1
			}
			else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)//如果線程2進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)(線程1也在延時(shí)中)
			{
                pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;//切換到空閑線程
			}
			else 
			{
				return;		/* 返回，不進(jìn)行切換*/
			}
		}
	}
}

由上面代碼可知，vTaskSwitchContext上下文切換函數(shù)通過(guò)看xTicksToDelay是否為零，來(lái)判斷任務(wù)已經(jīng)就緒or繼續(xù)延時(shí)。

xTicksToDelay以什么周期遞減，在哪遞減。這個(gè)周期由SysTick中斷提供。

SysTick

SysTick是系統(tǒng)定時(shí)器，重裝載數(shù)值寄存器的值遞減到0的時(shí)候，系統(tǒng)定時(shí)器就產(chǎn)生一次中斷，以此循環(huán)往復(fù)。

下面是SysTick的初始化。

//main函數(shù)里面
    /* 啟動(dòng)調(diào)度器，開(kāi)始多任務(wù)調(diào)度，啟動(dòng)成功則不返回 */
    vTaskStartScheduler();  
//task.c里面調(diào)用了xPortStartScheduler函數(shù)
void vTaskStartScheduler( void )
{
    //.....省略部分代碼
    /* 啟動(dòng)調(diào)度器 */
    if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
    {
        /* 調(diào)度器啟動(dòng)成功，則不會(huì)返回，即不會(huì)來(lái)到這里 */
    }
}
//port.c里面
//xPortStartScheduler調(diào)度器啟動(dòng)函數(shù)，里面調(diào)用了vPortSetupTimerInterrupt函數(shù)初始化SysTick
BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
    /* 配置PendSV 和 SysTick 的中斷優(yōu)先級(jí)為最低 */
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
    /* 初始化SysTick */
    vPortSetupTimerInterrupt();
	/* 啟動(dòng)第一個(gè)任務(wù)，不再返回 */
	prvStartFirstTask();
	/* 不應(yīng)該運(yùn)行到這里 */
	return 0;
}
//system_ARMCM4.c文件
#define  XTAL            (50000000UL)     /* Oscillator frequency */
#define  SYSTEM_CLOCK    (XTAL / 2U)
//FreeRTOSConfig.h文件
//系統(tǒng)時(shí)鐘大小
#define configCPU_CLOCK_HZ			( ( unsigned long ) 25000000 )	
//SysTick每秒中斷多少次，配置成100，10ms中斷一次
#define configTICK_RATE_HZ			( ( TickType_t ) 100 )
//下面初始化SysTick
/* SysTick 控制寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG			( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e010 ) )
/*SysTick 重裝載寄存器*/
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG			( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e014 ) )
/*SysTick時(shí)鐘源的選擇*/
#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ
	#define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ//configSYSTICK_CLOCK_HZ=configCPU_CLOCK_HZ
	/* 確保SysTick的時(shí)鐘與內(nèi)核時(shí)鐘一致 */
	#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT	( 1UL << 2UL )//無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整形32位二進(jìn)制，左移兩位
#else
	#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT	( 0 )
#endif
#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT			( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT			( 1UL << 0UL )
//初始化SysTick的函數(shù)如下
void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{
     /* 設(shè)置重裝載寄存器的值 */
    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    /* 設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)器的時(shí)鐘等于內(nèi)核時(shí)鐘
       使能SysTick 定時(shí)器中斷
       使能SysTick 定時(shí)器 */
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | 
                                  portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
                                  portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT ); 
}

初始化好SysTick，下面看看SysTick的中斷服務(wù)函數(shù)。

現(xiàn)在就明白了，xTicksToDelay是以SysTick的中斷周期遞減的。

// port.c文件，SysTick中斷服務(wù)函數(shù)
//里面調(diào)用了xTaskIncrementTick函數(shù)更新系統(tǒng)時(shí)基
void xPortSysTickHandler( void )
{
	/* 關(guān)中斷 進(jìn)入臨界段*/
    vPortRaiseBASEPRI();
    /* 更新系統(tǒng)時(shí)基 */
    xTaskIncrementTick();
	/* 開(kāi)中斷 退出臨界段*/
    vPortClearBASEPRIFromISR();
}
//task.c文件，
static volatile TickType_t xTickCount 				= ( TickType_t ) 0U;
void xTaskIncrementTick( void )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    BaseType_t i = 0;
    /* 更新系統(tǒng)時(shí)基計(jì)數(shù)器xTickCount，xTickCount是一個(gè)在port.c中定義的全局變量 */
    const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
    xTickCount = xConstTickCount;//把xTickCount加1
    
    /* 掃描就緒列表中所有線程的xTicksToDelay，如果不為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 --;
		}
	}
    /* 任務(wù)切換 */
    portYIELD();
}

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

這個(gè)里面就可以看到，高電平時(shí)間是20ms，剛好是阻塞延時(shí)的20ms。而且兩個(gè)任務(wù)波形相同，好像是CPU在同時(shí)做兩件事。這就是阻塞延時(shí)的好處。

為什么呢，

一開(kāi)始，所有任務(wù)都沒(méi)有進(jìn)入延時(shí)。

當(dāng)一個(gè)任務(wù)放棄CPU后(進(jìn)入延時(shí))，這一瞬間，CPU立即轉(zhuǎn)向運(yùn)行另一個(gè)任務(wù)(另一個(gè)任務(wù)也立即進(jìn)入延時(shí))。這是因?yàn)閡vTaskDelay阻塞延時(shí)函數(shù)里面調(diào)用了taskYIELD()任務(wù)切換函數(shù)。所以產(chǎn)生PendSV中斷，進(jìn)入PendSV中斷服務(wù)函數(shù)xPortPendSVHandler。

在那個(gè)PendSV中斷服務(wù)函數(shù)里面，調(diào)用vTaskSwitchContext上下文切換函數(shù)，由于現(xiàn)在兩個(gè)任務(wù)都在延時(shí)過(guò)程中，就開(kāi)始切到空閑任務(wù)。

等到重裝載數(shù)值寄存器的值遞減到0的時(shí)候，系統(tǒng)定時(shí)器就產(chǎn)生一次中斷，進(jìn)入系統(tǒng)定時(shí)器的中斷函數(shù)中，改變xTicksToDelay，然后再次調(diào)用任務(wù)切換函數(shù)portYIELD()。目的是產(chǎn)生PendSV中斷，進(jìn)入PendSV中斷服務(wù)函數(shù)。

然后再次調(diào)用vTaskSwitchContext上下文切換函數(shù)，判斷現(xiàn)在兩個(gè)任務(wù)是否還在延時(shí)，如果任務(wù)1不在延時(shí)，那么立即切到任務(wù)1，任務(wù)1里面又調(diào)用uvTaskDelay阻塞延時(shí)函數(shù)，再次套娃重復(fù)上面的活動(dòng)。

所以波形上幾乎同步。