FreeRTOS進階之調(diào)度器啟動過程分析
FreeRTOS基本程序架構(gòu)
int main(void) { 必要的初始化工作; 創(chuàng)建任務(wù)1; 創(chuàng)建任務(wù)2; ... vTaskStartScheduler(); /*啟動調(diào)度器*/ while(1); }
任務(wù)創(chuàng)建完成后,靜態(tài)變量指針pxCurrentTCB(見《FreeRTOS進階之任務(wù)創(chuàng)建完全解析》第7節(jié)內(nèi)容)指向優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。但此時任務(wù)并不能運行,因為接下來還有關(guān)鍵的一步:啟動FreeRTOS調(diào)度器。
啟動FreeRTOS調(diào)度器
調(diào)度器是FreeRTOS操作系統(tǒng)的核心,主要負(fù)責(zé)任務(wù)切換,即找出最高優(yōu)先級的就緒任務(wù),并使之獲得CPU運行權(quán)。調(diào)度器并非自動運行的,需要人為啟動它。
API函數(shù)vTaskStartScheduler()用于啟動調(diào)度器,它會創(chuàng)建一個空閑任務(wù)、初始化一些靜態(tài)變量,最主要的,它會初始化系統(tǒng)節(jié)拍定時器并設(shè)置好相應(yīng)的中斷,然后啟動第一個任務(wù)。這篇文章用于分析啟動調(diào)度器的過程,和上一篇文章一樣,啟動調(diào)度器也涉及到硬件特性(比如系統(tǒng)節(jié)拍定時器初始化等),因此本文仍然以Cortex-M3架構(gòu)為例。
啟動調(diào)度器的API函數(shù)vTaskStartScheduler()的源碼精簡后如下所示:
void vTaskStartScheduler( void ) { BaseType_t xReturn; StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer= NULL; StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer= NULL; uint16_t usIdleTaskStackSize =tskIDLE_STACK_SIZE; /*如果使用靜態(tài)內(nèi)存分配任務(wù)堆棧和任務(wù)TCB,則需要為空閑任務(wù)預(yù)先定義好任務(wù)內(nèi)存和任務(wù)TCB空間*/ #if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) { vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &usIdleTaskStackSize); } #endif /*configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */ /* 創(chuàng)建空閑任務(wù),使用最低優(yōu)先級*/ xReturn =xTaskGenericCreate( prvIdleTask, "IDLE",usIdleTaskStackSize, ( void * ) NULL, ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT), &xIdleTaskHandle,pxIdleTaskStackBuffer,pxIdleTaskTCBBuffer, NULL ); if( xReturn == pdPASS ) { /* 先關(guān)閉中斷,確保節(jié)拍定時器中斷不會在調(diào)用xPortStartScheduler()時或之前發(fā)生.當(dāng)?shù)谝粋€任務(wù)啟動時,會重新啟動中斷*/ portDISABLE_INTERRUPTS(); /* 初始化靜態(tài)變量 */ xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; xSchedulerRunning = pdTRUE; xTickCount = ( TickType_t ) 0U; /* 如果宏configGENERATE_RUN_TIME_STATS被定義,表示使用運行時間統(tǒng)計功能,則下面這個宏必須被定義,用于初始化一個基礎(chǔ)定時器/計數(shù)器.*/ portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS(); /* 設(shè)置系統(tǒng)節(jié)拍定時器,這與硬件特性相關(guān),因此被放在了移植層.*/ if(xPortStartScheduler() != pdFALSE ) { /* 如果調(diào)度器正確運行,則不會執(zhí)行到這里,函數(shù)也不會返回*/ } else { /* 僅當(dāng)任務(wù)調(diào)用API函數(shù)xTaskEndScheduler()后,會執(zhí)行到這里.*/ } } else { /* 執(zhí)行到這里表示內(nèi)核沒有啟動,可能因為堆??臻g不夠 */ configASSERT( xReturn ); } /* 預(yù)防編譯器警告*/ ( void ) xIdleTaskHandle; }
這個API函數(shù)首先創(chuàng)建一個空閑任務(wù),空閑任務(wù)使用最低優(yōu)先級(0級),空閑任務(wù)的任務(wù)句柄存放在靜態(tài)變量xIdleTaskHandle中,可以調(diào)用API函數(shù)xTaskGetIdleTaskHandle()獲得空閑任務(wù)句柄。
Cortex-M3中斷優(yōu)先級
如果任務(wù)創(chuàng)建成功,則關(guān)閉中斷(調(diào)度器啟動結(jié)束時會再次使能中斷的),初始化一些靜態(tài)變量,然后調(diào)用函數(shù)xPortStartScheduler()來啟動系統(tǒng)節(jié)拍定時器并啟動第一個任務(wù)。因為設(shè)置系統(tǒng)節(jié)拍定時器涉及到硬件特性,因此函數(shù)xPortStartScheduler()由移植層提供,不同的硬件架構(gòu),這個函數(shù)的代碼也不相同。
對于Cortex-M3架構(gòu),函數(shù)xPortStartScheduler()的實現(xiàn)如下所示:
BaseType_t xPortStartScheduler( void ) { #if(configASSERT_DEFINED == 1 ) { volatile uint32_tulOriginalPriority; /* 中斷優(yōu)先級寄存器0:IPR0 */ volatile uint8_t * constpucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) (portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 +portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER ); volatile uint8_tucMaxPriorityValue; /* 這一大段代碼用來確定一個最高ISR優(yōu)先級,在這個ISR或者更低優(yōu)先級的ISR中可以安全的調(diào)用以FromISR結(jié)尾的API函數(shù).*/ /* 保存中斷優(yōu)先級值,因為下面要覆寫這個寄存器(IPR0) */ ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister; /* 確定有效的優(yōu)先級位個數(shù). 首先向所有位寫1,然后再讀出來,由于無效的優(yōu)先級位讀出為0,然后數(shù)一數(shù)有多少個1,就能知道有多少位優(yōu)先級.*/ *pucFirstUserPriorityRegister= portMAX_8_BIT_VALUE; ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister; /* 冗余代碼,用來防止用戶不正確的設(shè)置RTOS可屏蔽中斷優(yōu)先級值 */ ucMaxSysCallPriority =configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY &ucMaxPriorityValue; /* 計算最大優(yōu)先級組值 */ ulMaxPRIGROUPValue =portMAX_PRIGROUP_BITS; while( (ucMaxPriorityValue &portTOP_BIT_OF_BYTE ) ==portTOP_BIT_OF_BYTE ) { ulMaxPRIGROUPValue--; ucMaxPriorityValue <<= ( uint8_t ) 0x01; } ulMaxPRIGROUPValue <<=portPRIGROUP_SHIFT; ulMaxPRIGROUPValue &=portPRIORITY_GROUP_MASK; /* 將IPR0寄存器的值復(fù)原*/ *pucFirstUserPriorityRegister= ulOriginalPriority; } #endif /*conifgASSERT_DEFINED */ /* 將PendSV和SysTick中斷設(shè)置為最低優(yōu)先級*/ portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_PENDSV_PRI; portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_SYSTICK_PRI; /* 啟動系統(tǒng)節(jié)拍定時器,即SysTick定時器,初始化中斷周期并使能定時器*/ vPortSetupTimerInterrupt(); /* 初始化臨界區(qū)嵌套計數(shù)器 */ uxCriticalNesting = 0; /* 啟動第一個任務(wù) */ prvStartFirstTask(); /* 永遠不會到這里! */ return 0; }
從源碼中可以看到,開始的一大段都是冗余代碼。因為Cortex-M3的中斷優(yōu)先級有些違反直覺:Cortex-M3中斷優(yōu)先級數(shù)值越大,表示優(yōu)先級越低。而FreeRTOS的任務(wù)優(yōu)先級則與之相反:優(yōu)先級數(shù)值越大的任務(wù),優(yōu)先級越高。
根據(jù)官方統(tǒng)計,在Cortex-M3硬件上使用FreeRTOS,絕大多數(shù)的問題都出在優(yōu)先級設(shè)置不正確上。
因此,為了使FreeRTOS更健壯,F(xiàn)reeRTOS的作者在編寫Cortex-M3架構(gòu)移植層代碼時,特意增加了冗余代碼。關(guān)于詳細(xì)的Cortex-M3架構(gòu)中斷優(yōu)先級設(shè)置,參考《Cortex-M內(nèi)核使用注意事項》一文。
在Cortex-M3架構(gòu)中,F(xiàn)reeRTOS為了任務(wù)啟動和任務(wù)切換使用了三個異常:SVC、PendSV和SysTick。
SVC(系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用)用于任務(wù)啟動,有些操作系統(tǒng)不允許應(yīng)用程序直接訪問硬件,而是通過提供一些系統(tǒng)服務(wù)函數(shù),通過SVC來調(diào)用;
PendSV(可掛起系統(tǒng)調(diào)用)用于完成任務(wù)切換,它的最大特性是如果當(dāng)前有優(yōu)先級比它高的中斷在運行,PendSV會推遲執(zhí)行,直到高優(yōu)先級中斷執(zhí)行完畢;
SysTick用于產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍時鐘,提供一個時間片,如果多個任務(wù)共享同一個優(yōu)先級,則每次SysTick中斷,下一個任務(wù)將獲得一個時間片。關(guān)于詳細(xì)的SVC、PendSV異常描述,推薦《Cortex-M3權(quán)威指南》一書的“異常”部分。
這里將PendSV和SysTick異常優(yōu)先級設(shè)置為最低,這樣任務(wù)切換不會打斷某個中斷服務(wù)程序,中斷服務(wù)程序也不會被延遲,這樣簡化了設(shè)計,有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。
接下來調(diào)用函數(shù)vPortSetupTimerInterrupt()設(shè)置SysTick定時器中斷周期并使能定時器運行這個函數(shù)比較簡單,就是設(shè)置SysTick硬件的相應(yīng)寄存器。
再接下來有一個關(guān)鍵的函數(shù)是prvStartFirstTask(),這個函數(shù)用來啟動第一個任務(wù)。我們先看一下源碼:
__asm void prvStartFirstTask( void ) { PRESERVE8 /* Cortext-M3硬件中,0xE000ED08地址處為VTOR(向量表偏移量)寄存器,存儲向量表起始地址*/ ldr r0, =0xE000ED08 ldr r0, [r0] /* 取出向量表中的第一項,向量表第一項存儲主堆棧指針MSP的初始值*/ ldr r0, [r0] /* 將堆棧地址存入主堆棧指針 */ msr msp, r0 /* 使能全局中斷*/ cpsie i cpsie f dsb isb /* 調(diào)用SVC啟動第一個任務(wù) */ svc 0 nop nop }
程序開始的幾行代碼用來復(fù)位主堆棧指針MSP的值,表示從此以后MSP指針被FreeRTOS接管,需要注意的是,Cortex-M3硬件的中斷也使用MSP指針。之后使能中斷,使用匯編指令svc 0觸發(fā)SVC中斷,完成啟動第一個任務(wù)的工作。
SVC中斷服務(wù)函數(shù)
__asm void vPortSVCHandler( void ) { PRESERVE8 ldr r3, =pxCurrentTCB /* pxCurrentTCB指向處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)TCB */ ldr r1, [r3] /* 獲取任務(wù)TCB地址 */ ldr r0, [r1] /* 獲取任務(wù)TCB的第一個成員,即當(dāng)前堆棧棧頂pxTopOfStack */ ldmia r0!, {r4-r11} /* 出棧,將寄存器r4~r11出棧 */ msr psp, r0 /* 最新的棧頂指針賦給線程堆棧指針PSP */ isb mov r0, #0 msr basepri, r0 orrr14, #0xd /* 這里0x0d表示:返回后進入線程模式,從進程堆棧中做出棧操作,返回Thumb狀態(tài)*/ bx r14 }
通過上一篇介紹任務(wù)創(chuàng)建的文章,我們已經(jīng)認(rèn)識了指針pxCurrentTCB。這是定義在tasks.c中的唯一一個全局變量,指向處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)TCB。我們知道FreeRTOS的核心功能是確保處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)獲得CPU權(quán)限,因此可以說這個指針指向的任務(wù)要么正在運行中,要么即將運行(調(diào)度器關(guān)閉),所以這個變量才被命名為pxCurrentTCB。
根據(jù)《FreeRTOS進階之任務(wù)創(chuàng)建》第三節(jié)我們可以知道,一個任務(wù)創(chuàng)建時,會將它的任務(wù)堆棧初始化的像是經(jīng)過一次任務(wù)切換一樣,如圖1-1所示。對于Cortex-M3架構(gòu),需要依次入棧xPSR、PC、LR、R12、R3~R0、R11~R4,其中r11~R4需要人為入棧,其它寄存器由硬件自動入棧。寄存器PC被初始化為任務(wù)函數(shù)指針vTask_A,這樣當(dāng)某次任務(wù)切換后,任務(wù)A獲得CPU控制權(quán),任務(wù)函數(shù)vTask_A被出棧到PC寄存器,之后會執(zhí)行任務(wù)A的代碼;LR寄存器初始化為函數(shù)指針prvTaskExitError,這是由移植層提供的一個出錯處理函數(shù)。
任務(wù)TCB結(jié)構(gòu)體成員pxTopOfStack表示當(dāng)前堆棧的棧頂,它指向最后一個入棧的項目,所以在圖中它指向R4,TCB結(jié)構(gòu)體另外一個成員pxStack表示堆棧的起始位置,所以在圖中它指向堆棧的最開始處。
圖1-1:任務(wù)創(chuàng)建后任務(wù)堆棧分布情況
所以,SVC中斷服務(wù)函數(shù)一開始就使用全局指針pxCurrentTCB獲得第一個要啟動的任務(wù)TCB,從而獲得任務(wù)的當(dāng)前堆棧棧頂指針。先將人為入棧的寄存器R4~R11出棧,將最新的堆棧棧頂指針賦值給線程堆棧指針PSP,再取消中斷掩蔽。到這里,只要發(fā)生中斷,就都能夠被響應(yīng)了。
中斷服務(wù)函數(shù)通過下面兩句匯編返回。Cortex-M3架構(gòu)中,r14的值決定了從異常返回的模式,這里r14最后四位按位或上0x0d,表示返回時從進程堆棧中做出棧操作、返回后進入線程模式、返回Thumb狀態(tài)。
orr r14, #0xd bx r14
執(zhí)行bx r14指令后,硬件自動將寄存器xPSR、PC、LR、R12、R3~R0出棧,這時任務(wù)A的任務(wù)函數(shù)指針vTask_A會出棧到PC指針中,從而開始執(zhí)行任務(wù)A。
至此,任務(wù)vTask_A獲得CPU執(zhí)行權(quán),調(diào)度器正式開始工作。
以上就是FreeRTOS進階之調(diào)度器啟動過程分析的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于FreeRTOS調(diào)度器啟動過程的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
相關(guān)文章
FreeRTOS實時操作系統(tǒng)Cortex-M內(nèi)核使用注意事項
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)Cortex-M內(nèi)核使用注意事項,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS動態(tài)內(nèi)存分配管理heap_1示例
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS動態(tài)內(nèi)存分配管理heap_1的示例分析,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的任務(wù)創(chuàng)建與任務(wù)切換
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的任務(wù)創(chuàng)建與任務(wù)切換,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS動態(tài)內(nèi)存分配管理heap_5示例
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS動態(tài)內(nèi)存分配管理heap_5示例,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS實時操作系統(tǒng)之可視化追蹤調(diào)試
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)之可視化追蹤調(diào)試的示例解析,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04freertos實時操作系統(tǒng)空閑任務(wù)阻塞延時示例解析
這篇文章主要為大家介紹了freertos實時操作系統(tǒng)的空閑任務(wù)及阻塞延時示例解析,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步,早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理分析
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理的示例分析,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS實時操作系統(tǒng)信號量基礎(chǔ)
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)信號量基礎(chǔ),有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04FreeRTOS實時操作系統(tǒng)在Cortex-M3上的移植過程
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS實時操作系統(tǒng)在Cortex-M3上的移植過程的示例,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進步早日升職加薪2022-04-04