前言

操作系統(tǒng)的運(yùn)行是由系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的。

在FreeRTOS中，我們知道系統(tǒng)延時(shí)和阻塞時(shí)間都是以系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘周期為單位。在配置文件FreeRTOSConfig.h，改變宏configTICK_RATE_HZ的值，可以改變系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘的中斷頻率，也間接的改變了系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘周期（T=1/f）。比如設(shè)置宏configTICK_RATE_HZ為100，則系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘周期為10ms，設(shè)置宏configTICK_RATE_HZ為1000，則系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘周期為1ms。

系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)程序會(huì)調(diào)用函數(shù)xTaskIncrementTick()來(lái)完成主要工作，如果該函數(shù)返回值為真（不等于pdFALSE），說(shuō)明處于就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高。這會(huì)觸發(fā)一次PendSV中斷，進(jìn)行上下文切換。我們重點(diǎn)看一下函數(shù)xTaskIncrementTick()做了哪些事情，以及什么情況下返回真值。

1.調(diào)度器正常情況

調(diào)度器正常（沒(méi)有掛起），即變量uxSchedulerSuspended的值為pdFALSE。變量uxSchedulerSuspended是定義在tasks.c文件中的靜態(tài)變量，記錄調(diào)度器運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)調(diào)用API函數(shù)vTaskSuspendAll()掛起調(diào)度器時(shí)，會(huì)將變量uxSchedulerSuspended增1。所以變量uxSchedulerSuspended為真時(shí)，表示調(diào)度器被掛起。

調(diào)度器正常情況下，首先將變量xTickCount增1。變量xTickCount也是在tasks.c文件中定義的靜態(tài)變量，它在啟動(dòng)調(diào)度器時(shí)被清零，在每次系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘發(fā)生中斷后加1，用來(lái)記錄系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘中斷的次數(shù)。內(nèi)核會(huì)將所有阻塞的任務(wù)跟這個(gè)變量比較，以判斷是否超時(shí)（超時(shí)意味著可以解除阻塞）。

變量xTickCount的數(shù)據(jù)類型跟具體硬件有關(guān)，32位架構(gòu)硬件一般是無(wú)符號(hào)32位變量、8位或16位架構(gòu)一般是無(wú)符號(hào)16位變量。即便是32位變量，xTickCount累加到0xFFFFFFFF后也會(huì)溢出。因此，在程序中要判斷變量xTickCount是否溢出。如果溢出（xTickCount為0），則調(diào)用宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()交換延時(shí)列表指針和溢出延時(shí)列表指針。這個(gè)牽扯的有點(diǎn)廣，我們慢慢說(shuō)明。

為了解決xTickCount溢出問(wèn)題，F(xiàn)reeRTOS使用了兩個(gè)延時(shí)列表：xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2。并使用延時(shí)列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時(shí)列表指針pxOverflowDelayedTaskList分別指向上面的延時(shí)列表1和延時(shí)列表2（在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)將延時(shí)列表指針指向延時(shí)列表）。順便說(shuō)一下，上面的兩個(gè)延時(shí)列表指針變量和兩個(gè)延時(shí)列表變量都是在tasks.c中定義的靜態(tài)局部變量。

比如我們使用API延時(shí)函數(shù)vTaskDelay(xTicksToDelay)將任務(wù)延時(shí)xTicksToDelay個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍周期，延時(shí)函數(shù)會(huì)以當(dāng)前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)xTickCount為參考，這個(gè)值加上參數(shù)規(guī)定的延時(shí)時(shí)間xTicksToDelay，即xTickCount+ xTicksToDelay，就是下次喚醒任務(wù)的時(shí)間。

xTickCount+xTicksToDelay會(huì)被記錄到任務(wù)TCB中，隨著任務(wù)一起掛接到延時(shí)列表。如果內(nèi)核判斷出xTickCount+ xTicksToDelay溢出（大于32位可以表示的最大值），就將當(dāng)前任務(wù)掛接到列表指針pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。任務(wù)按照延時(shí)時(shí)間，順序的插入到延時(shí)列表中。

所以當(dāng)系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器xTickCount溢出時(shí)，必須將延時(shí)列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時(shí)列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換以便正確處理延時(shí)的任務(wù)。宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()的代碼如下所示：

#definetaskSWITCH_DELAYED_LISTS()                                                       \
{                                                                                       \
         List_t *pxTemp		                                                        \
                                                                                        \
         /* The delayed tasks list should beempty when the lists are switched. */       \
         configASSERT( ( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList) ) );                     \
                                                                                        \
         pxTemp = pxDelayedTaskList;                                                    \
         pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList;                                 \
         pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp;                                            \
         xNumOfOverflows++;                                                             \
         prvResetNextTaskUnblockTime                                                    \
}

這段代碼完成兩部分工作，第一是將延時(shí)列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時(shí)列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換；第二是調(diào)用函數(shù)prvResetNextTaskUnblockTime()重新獲取下一次解除阻塞的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間保存在靜態(tài)變量xNextTaskUnblockTime中，該變量也是定義在tasks.c中。下面檢查延時(shí)列表任務(wù)是否到期時(shí)，會(huì)用到這個(gè)變量。
接下來(lái)函數(shù)會(huì)檢查延時(shí)列表，查看延時(shí)的任務(wù)是否到期。前面我們說(shuō)過(guò)，延時(shí)的任務(wù)根據(jù)延時(shí)時(shí)間先后，順序的插入到延時(shí)列表中，延時(shí)時(shí)間短的在前，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)的在后，并且下一個(gè)要被喚醒任務(wù)的時(shí)間數(shù)值保存在變量xNextTaskUnblockTime中。所以使用xTickCount與xNextTaskUnblockTime比較就可以知道是否有任務(wù)可以被喚醒。

if( xConstTickCount >=xNextTaskUnblockTime )
{
   /* 延時(shí)的任務(wù)到期，需要被喚醒 */
}

如果任務(wù)被喚醒，則將任務(wù)從延時(shí)列表中刪除，重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務(wù)優(yōu)先級(jí)大于當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)，則會(huì)觸發(fā)一次上下文切換。

FreeRTOS支持多個(gè)任務(wù)共享同一個(gè)優(yōu)先級(jí)，如果設(shè)置為搶占式調(diào)度（宏configUSE_PREEMPTION設(shè)置為1）并且宏configUSE_TIME_SLICING也為1（或未定義），則相同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)任務(wù)間進(jìn)行任務(wù)切換。

最后還會(huì)調(diào)用時(shí)間片鉤子函數(shù)vApplicationTickHook()。可以看到時(shí)間片鉤子函數(shù)實(shí)在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用的，所以這個(gè)鉤子函數(shù)必須簡(jiǎn)潔、不可以調(diào)用不帶中斷保護(hù)的API函數(shù)。

2.調(diào)度器掛起情況

如果調(diào)度器掛起，正在執(zhí)行的任務(wù)會(huì)一直繼續(xù)執(zhí)行，內(nèi)核不再調(diào)度（意味著當(dāng)前任務(wù)不會(huì)被切換出去），直到該任務(wù)調(diào)用了xTaskResumeAll()函數(shù)。

在調(diào)度器掛起階段內(nèi)，F(xiàn)reeRTOS使用靜態(tài)變量uxPendedTicks記錄掛起期間,系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)。當(dāng)調(diào)用恢復(fù)調(diào)度器函數(shù)xTaskResumeAll()時(shí)，會(huì)執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(shù)(xTaskIncrementTick())。變量uxPendedTicks同樣是在tasks.c中定義的。

3.自動(dòng)任務(wù)切換

函數(shù)的最后幾行代碼頗讓人難以理解，其中局部變量xSwitchRequired是本函數(shù)的返回值，在文章開(kāi)始也說(shuō)過(guò)：“如果該函數(shù)返回值為真，說(shuō)明處于就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，則會(huì)觸發(fā)一次PendSV中斷，進(jìn)行上下文切換”，現(xiàn)在如果變量xYieldPending為真，則返回值也會(huì)為真，函數(shù)結(jié)束后會(huì)進(jìn)行上下文切換。這個(gè)變量xYieldPending的作用是什么？又是在什么時(shí)候被賦值為真呢？還真要從頭說(shuō)起。

if( xYieldPending != pdFALSE )
{
    xSwitchRequired = pdTRUE;
}

帶中斷保護(hù)的API函數(shù)，都會(huì)有一個(gè)參數(shù)pxHigherPriorityTaskWoken。如果API函數(shù)導(dǎo)致一個(gè)任務(wù)解鎖，并且解鎖的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)，則API函數(shù)將*pxHigherPriorityTaskWoken設(shè)置成pdTRUE。在中斷退出前，老版本的FreeRTOS需要手動(dòng)觸發(fā)一次任務(wù)切換。比如在FreeRTOS使用任務(wù)通知實(shí)現(xiàn)命令行解釋器一文中，我們?cè)诖诮邮罩袛嘀姓{(diào)用了帶中斷保護(hù)的API函數(shù)vTaskNotifyGiveFromISR()，在函數(shù)執(zhí)行完后，會(huì)使用代碼portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken)判斷參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken是否為真，為真則手動(dòng)強(qiáng)制上下文切換。

   BaseType_txHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;        
   /*收到一幀數(shù)據(jù)，向命令行解釋器任務(wù)發(fā)送通知*/ 
   vTaskNotifyGiveFromISR(xCmdAnalyzeHandle,&xHigherPriorityTaskWoken); 
   /*是否需要強(qiáng)制上下文切換*/ 
   portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken );  

從FreeRTOSV7.3.0起，pxHigherPriorityTaskWoken成為一個(gè)可選參數(shù)，并可以設(shè)置為NULL。如果將參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken設(shè)置為NULL，并且?guī)е袛啾Ｗo(hù)的API函數(shù)導(dǎo)致更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)解鎖，任務(wù)什么時(shí)候、怎么切換呢？

原來(lái)從FreeRTOSV7.3.0起，內(nèi)核增加了一個(gè)靜態(tài)變量xYieldPending，這個(gè)變量也是在tasks.c中定義的。如果將變量xYieldPending設(shè)置為pdTRUE，則會(huì)在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中，觸發(fā)一次任務(wù)切換，見(jiàn)本小節(jié)第一段代碼描述。

讓我們看一下這個(gè)過(guò)程是如何實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于隊(duì)列以及使用隊(duì)列機(jī)制的信號(hào)量、互斥量等，在中斷服務(wù)程序中調(diào)用了這些API函數(shù)，將任務(wù)從阻塞中解除，則需要調(diào)用函數(shù)xTaskRemoveFromEventList()將任務(wù)的事件列表項(xiàng)從事件列表中移除。在移除事件列表項(xiàng)的過(guò)程中，會(huì)判斷解除的任務(wù)優(yōu)先級(jí)是否大于當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，如果解除的任務(wù)優(yōu)先級(jí)更高，會(huì)將變量xYieldPending設(shè)置為pdTRUE。在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中，觸發(fā)一次任務(wù)切換。代碼如下所示：

  if(pxUnblockedTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority)
 {
      /*任務(wù)具有更高的優(yōu)先級(jí)，返回pdTRUE。告訴調(diào)用這個(gè)函數(shù)的任務(wù)，它需要強(qiáng)制切換上下文。*/
      xReturn= pdTRUE;
      /*帶中斷保護(hù)的API函數(shù)的都會(huì)有一個(gè)參數(shù)參數(shù)"xHigherPriorityTaskWoken"，如果用戶沒(méi)有使用這個(gè)參數(shù)，這里設(shè)置任務(wù)切換標(biāo)志。在下個(gè)系統(tǒng)中斷服務(wù)例程中，會(huì)檢查xYieldPending的值，如果為pdTRUE則會(huì)觸發(fā)一次上下文切換。*/
      xYieldPending= pdTRUE;
 }        

對(duì)于FreeRTOSV8.2.0新推出的任務(wù)通知，也提供了帶中斷保護(hù)版本的API函數(shù)。按照邏輯推斷，這些API函數(shù)的參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken也可以不使用，變量xYieldPending也應(yīng)該作用于這些API函數(shù)。但事實(shí)是，在FreeRTOSV9.0之前的版本，F(xiàn)reeRTOS都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，如果使用這些API函數(shù)解除了一個(gè)更高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，必須手動(dòng)的進(jìn)行上下文切換。這可能是一個(gè)BUG，因?yàn)樵贔reeRTOS V9.0版本中，已經(jīng)修復(fù)了這個(gè)問(wèn)題，可以使用變量xYieldPending自動(dòng)切換上下文。這個(gè)BUG由QQ昵稱為“所長(zhǎng)”的網(wǎng)友遇到。

在V9.0以及以上版本中，如果在中斷中釋放的通知引起更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)解鎖，API函數(shù)會(huì)判斷參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken是否有效，有效則將*xHigherPriorityTaskWoken設(shè)置為pdTRUE，此時(shí)需要手動(dòng)切換上下文；否則，將變量xYieldPending設(shè)置為pdTRUE，在下一次系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)中，觸發(fā)一次任務(wù)切換。代碼如下所示：

if( pxTCB->uxPriority >pxCurrentTCB->uxPriority ) 
{ 
         /*如果解除阻塞的任務(wù)優(yōu)先級(jí)大于當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí),則設(shè)置上下文切換標(biāo)識(shí),等退出函數(shù)后手動(dòng)切換上下文,或者在系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)程序中自動(dòng)切換上下文*/ 
         if(pxHigherPriorityTaskWoken != NULL ) 
         { 
                   *pxHigherPriorityTaskWoken= pdTRUE;    /* 設(shè)置手動(dòng)切換標(biāo)志*/ 
         } 
         else 
         { 
                   xYieldPending= pdTRUE;                 /* 設(shè)置自動(dòng)切換標(biāo)志*/ 
         } 
}

函數(shù)xTaskIncrementTick()完整代碼如下所示，根據(jù)上面的講解以及代碼的注釋，理解這些代碼應(yīng)該不是難事。

BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t * pxTCB;
TickType_t xItemValue;
BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;
    /* 每當(dāng)系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器中斷發(fā)生,移植層都會(huì)調(diào)用該函數(shù).函數(shù)將系統(tǒng)節(jié)拍中斷計(jì)數(shù)器加1,
       然后檢查新的系統(tǒng)節(jié)拍中斷計(jì)數(shù)器值是否解除某個(gè)任務(wù).*/
    if(uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
    {   /* 調(diào)度器正常情況 */
        const TickType_txConstTickCount = xTickCount + 1;
        /* 系統(tǒng)節(jié)拍中斷計(jì)數(shù)器加1,如果計(jì)數(shù)器溢出(為0),交換延時(shí)列表指針和溢出延時(shí)列表指針 */
        xTickCount = xConstTickCount;
        if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U )
        {
            taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
        }
        /* 查看是否有延時(shí)任務(wù)到期.任務(wù)按照喚醒時(shí)間的先后順序存儲(chǔ)在隊(duì)列中,這意味著只要隊(duì)列中的最先喚醒任務(wù)沒(méi)有到期,其它任務(wù)一定沒(méi)有到期.*/
        if( xConstTickCount >=xNextTaskUnblockTime )
        {
            for( ;; )
            {
                if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList) != pdFALSE )
                {
                    /* 如果延時(shí)列表為空,設(shè)置xNextTaskUnblockTime為最大值 */
                   xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
                    break;
                }
                else
                {
                    /* 如果延時(shí)列表不為空,獲取延時(shí)列表第一個(gè)列表項(xiàng)值,這個(gè)列表項(xiàng)值存儲(chǔ)任務(wù)喚醒時(shí)間.
                       喚醒時(shí)間到期,延時(shí)列表中的第一個(gè)列表項(xiàng)所屬的任務(wù)要被移除阻塞狀態(tài) */
                    pxTCB = ( TCB_t * )listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
                    xItemValue =listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );
                    if( xConstTickCount < xItemValue )
                    {
                        /* 任務(wù)還未到解除阻塞時(shí)間?將當(dāng)前任務(wù)喚醒時(shí)間設(shè)置為下次解除阻塞時(shí)間. */
                       xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
                        break;
                    }
                    /* 從阻塞列表中刪除到期任務(wù) */
                    ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
                    /* 是因?yàn)榈却录枞?是的話將到期任務(wù)從事件列表中刪除 */
                    if(listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL )
                    {
                        ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );
                    }
                    /* 將解除阻塞的任務(wù)放入就緒列表 */
                   prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
 
                    #if (  configUSE_PREEMPTION == 1 )
                    {
                        /* 使能了搶占式內(nèi)核.如果解除阻塞的任務(wù)優(yōu)先級(jí)大于當(dāng)前任務(wù),觸發(fā)一次上下文切換標(biāo)志 */
                        if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority )
                        {
                            xSwitchRequired= pdTRUE;
                        }
                    }
                    #endif /*configUSE_PREEMPTION */
                }
            }
        }
        /* 如果有其它任務(wù)與當(dāng)前任務(wù)共享一個(gè)優(yōu)先級(jí),則這些任務(wù)共享處理器(時(shí)間片) */
        #if ( (configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) )
        {
            if(listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ pxCurrentTCB->uxPriority ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 )
            {
                xSwitchRequired = pdTRUE;
            }
            else
            {
               mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
            }
        }
        #endif /* ( (configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ) */
        #if (configUSE_TICK_HOOK == 1 )
        {
            /* 調(diào)用時(shí)間片鉤子函數(shù)*/
            if( uxPendedTicks == ( UBaseType_t ) 0U )
            {
                vApplicationTickHook();
            }
        }
        #endif /*configUSE_TICK_HOOK */
    }
    else
    {   /* 調(diào)度器掛起狀態(tài),變量uxPendedTicks用于統(tǒng)計(jì)調(diào)度器掛起期間,系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù).
           當(dāng)調(diào)用恢復(fù)調(diào)度器函數(shù)時(shí),會(huì)執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(shù)(xTaskIncrementTick()):
           恢復(fù)系統(tǒng)節(jié)拍中斷計(jì)數(shù)器,如果有任務(wù)阻塞到期,則刪除阻塞狀態(tài) */
        ++uxPendedTicks;
 
        /* 調(diào)用時(shí)間片鉤子函數(shù)*/
        #if (configUSE_TICK_HOOK == 1 )
        {
            vApplicationTickHook();
        }
        #endif
    }
    #if (configUSE_PREEMPTION == 1 )
    {   /* 如果在中斷中調(diào)用的API函數(shù)喚醒了更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù),并且API函數(shù)的參數(shù)pxHigherPriorityTaskWoken為NULL時(shí),變量xYieldPending用于上下文切換標(biāo)志 */
        if( xYieldPending!= pdFALSE )
        {
            xSwitchRequired = pdTRUE;
        }
    }
    #endif /*configUSE_PREEMPTION */
    return xSwitchRequired;
}

以上就是FreeRTOS進(jìn)階系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘示例的完全解析的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于FreeRTOS進(jìn)階系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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