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FreeRTOS進(jìn)階之調(diào)度器啟動過程分析

 更新時間:2022年04月11日 08:36:23   作者:zhzht19861011  
這篇文章主要為大家介紹了FreeRTOS進(jìn)階之調(diào)度器啟動過程分析,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(jìn)步早日升職加薪

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(jìn)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(yùn)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(yùn)行權(quán)。調(diào)度器并非自動運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(yuǎn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)入線程模式,從進(jìn)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(yùn)行中,要么即將運(yùn)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(jìn)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(jìn)程堆棧中做出棧操作、返回后進(jìn)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(jìn)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!

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