FreeRTOS任務切換過程

FreeRTOS任務相關的代碼大約占總代碼的一半左右，這些代碼都在為一件事情而努力，即找到優(yōu)先級最高的就緒任務，并使之獲得CPU運行權。任務切換是這一過程的直接實施者，為了更快的找到優(yōu)先級最高的就緒任務，任務切換的代碼通常都是精心設計的，甚至會用到匯編指令或者與硬件相關的特性，比如Cortex-M3的CLZ指令。因此任務切換的大部分代碼是由硬件移植層提供的，不同的平臺，實現(xiàn)發(fā)方法也可能不同，這篇文章以Cortex-M3為例，講述FreeRTOS任務切換的過程。

FreeRTOS有兩種方法觸發(fā)任務切換：

執(zhí)行系統(tǒng)調用，比如普通任務可以使用taskYIELD()強制任務切換，中斷服務程序中使用portYIELD_FROM_ISR()強制任務切換；

系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷

對于Cortex-M3平臺，這兩種方法的實質是一樣的，都會使能一個PendSV中斷，在PendSV中斷服務程序中，找到最高優(yōu)先級的就緒任務，然后讓這個任務獲得CPU運行權，從而完成任務切換。
對于第一種任務切換方法，不管是使用taskYIELD()還是portYIELD_FROM_ISR()，最終都會執(zhí)行宏portYIELD()，這個宏的定義如下：

#define portYIELD()						\
{								\
	/*產生PendSV中斷*/		                        \
	portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;		\
}

對于第二種任務切換方法，在系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷服務函數中，首先會更新tick計數器的值、查看是否有任務解除阻塞，如果有任務解除阻塞的話，則使能PandSV中斷，代碼如下所示：

void xPortSysTickHandler( void )
{
	/* 設置中斷掩碼 */
	vPortRaiseBASEPRI();
	{
		/* 增加tick計數器值，并檢查是否有任務解除阻塞 */
		if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
		{
			/* 需要任務切換。產生PendSV中斷 */
			portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
		}
	}
	vPortClearBASEPRIFromISR();
}

從上面的代碼中可以看出，PendSV中斷的產生是通過代碼：portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT實現(xiàn)的，它向中斷狀態(tài)寄存器bit28位寫入1，將PendSV中斷設置為掛起狀態(tài)，等到優(yōu)先級高于PendSV的中斷執(zhí)行完成后，PendSV中斷服務程序將被執(zhí)行，進行任務切換工作。

代碼分析

Cortex-M3架構下，PendSV中斷服務程序源碼如下所示，這篇文章重點分析這段代碼。

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
	extern uxCriticalNesting;
	extern pxCurrentTCB;            /* 指向當前激活的任務 */
	extern vTaskSwitchContext;      
	PRESERVE8
	mrs r0, psp                   /* PSP內容存入R0 */    
	isb                           /* 指令同步隔離,清流水線 */
	ldr	r3, =pxCurrentTCB     /* 當前激活的任務TCB指針存入R2 */
	ldr	r2, [r3]
	stmdb r0!, {r4-r11}          /* 保存剩余的寄存器,異常處理程序執(zhí)行前,硬件自動將xPSR、PC、LR、R12、R0-R3入棧 */
	str r0, [r2]		     /* 將新的棧頂保存到任務TCB的第一個成員中 */
	stmdb sp!, {r3, r14}         /* 將R3和R14臨時壓入堆棧，因為即將調用函數vTaskSwitchContext,調用函數時,返回地址自動保存到R14中,所以一旦調用發(fā)生,R14的值會被覆蓋,因此需要入棧保護; R3保存的當前激活的任務TCB指針(pxCurrentTCB)地址,函數調用后會用到,因此也要入棧保護*/
	mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   /* 進入臨界區(qū) */
	msr basepri, r0
	dsb                         /* 數據和指令同步隔離 */
	isb
	bl vTaskSwitchContext        /* 調用函數,尋找新的任務運行,通過使變量pxCurrentTCB指向新的任務來實現(xiàn)任務切換 */
	mov r0, #0                   /* 退出臨界區(qū)*/
	msr basepri, r0
	ldmia sp!, {r3, r14}         /* 恢復R3和R14*/
	ldr r1, [r3]
	ldr r0, [r1]		     /* 當前激活的任務TCB第一項保存了任務堆棧的棧頂,現(xiàn)在棧頂值存入R0*/
	ldmia r0!, {r4-r11}	     /* 出棧*/
	msr psp, r0
	isb
	bx r14                      /* 異常發(fā)生時,R14中保存異常返回標志,包括返回后進入線程模式還是處理器模式、使用PSP堆棧指針還是MSP堆棧指針，當調用 bx r14指令后，硬件會知道要從異常返回，然后出棧，這個時候堆棧指針PSP已經指向了新任務堆棧的正確位置，當新任務的運行地址被出棧到PC寄存器后，新的任務也會被執(zhí)行。*/
	nop
}

為了便于理解上面的代碼，我們先用流程圖的方式將整個過程畫出來，然后再逐句分析代碼。因為圖形可以簡化程序，并且信息更容易接受。

圖1-1：任務切換流程

先強調圖1-1中的幾個術語，首先是“主堆棧指針MSP”和“進程堆棧指針PSP”。對于Cortex-M3硬件，當系統(tǒng)復位后，默認使用MSP指針。MSP指針用于操作系統(tǒng)內核以及處理異常（也就是說中斷服務程序中默認強制使用MSP指針，這是硬件自動設置的）。任務（進程）使用PSP指針，操作系統(tǒng)負責從MSP指針切換到PSP指針。這個過程在《FreeRTOS高級篇3---啟動調度器》一文的最后部分中進行了講解：在SVC中斷服務程序中啟動第一個任務，當從SVC中斷服務退出前，通過向r14寄存器最后4位按位或上0x0D，使得硬件在退出時使用進程堆棧指針PSP完成出棧操作并返回后進入線程模式、返回Thumb狀態(tài)。
其次，“堆棧”和“任務堆棧”也值得強調一下。每個任務都有自己的“任務堆棧”，在任務創(chuàng)建時會創(chuàng)建指定大小的任務堆棧，這是任務能夠獨立運行的前提條件之一。在任務中定義的局部變量，會優(yōu)先使用寄存器，寄存器不夠時就使用任務堆棧的空間。如果在任務中調用其它函數，則調用前的保存信息也存到任務堆棧中去。根據任務代碼來估算任務堆棧的大小是件十分重要的技能。前面也說了，Cortex-M3硬件有兩個堆棧指針，操作系統(tǒng)內核以及異常處理程序中使用MSP指針，所以它們也需要一個堆棧空間，我們稱之為“堆棧”，這個堆?？臻g和任務堆棧空間在物理上是絕對不可以重疊的，圖1-2展示了一個編譯好的程序可能的RAM分配情況（堆棧向下生長）。

圖1-2：RAM中的變量和堆棧分布示意圖

有了上面的基礎,接下來我們來分析PendSV中斷服務程序。

mrs r0, psp 

是將任務堆棧指針PSP的值保存到寄存器R0中，因為接下來我們會將寄存器R4~R11也保存到任務堆棧中，但是我們沒有哪個匯編指令能直接操作PSP完成入棧，所以只能借助R0。

ldrr3, =pxCurrentTCB /* 當前激活的任務TCB指針存入R2 */
ldrr2, [r3]

這兩句代碼是獲取當前激活的任務TCP指針，指針pxCurrentTCB前面文章已經提到過很多次了，它是位于tasks.c文件中定義的唯一一個全局指針型變量，指向當前激活的任務TCB。

stmdb r0!, {r4-r11}

這句代碼用于將寄存器R4~R11保存到當前激活的程序任務堆棧中，并且同步更新寄存器R0的值。

str r0, [r2]

寄存器R2中保存當前激活的任務TCB指針，在《FreeRTOS進階之任務創(chuàng)建》中講任務TCB數據結構時我們知道，任務TCB數據結構第一個成員一定是指向任務當前堆棧棧頂的指針變量pxTopOfStack。這句代碼將R0的內容保存到任務TCB數據結構的第一個成員pxTopOfStack中，也就是將最新的任務堆棧指針保存到任務TCB的pxTopOfStack字段中。當任務被激活時，就是從這個字段中獲取任務堆棧指針，然后完成數據出棧操作的。

stmdb sp!, {r3, r14}

將R3和R14臨時壓入堆棧，因為即將調用函數vTaskSwitchContext。調用函數時，返回地址自動保存到R14中，所以一旦調用發(fā)生，R14的值會被覆蓋，因此需要入棧保護。R3保存的當前激活的任務TCB指針(pxCurrentTCB)地址，函數調用后會用到，因此也要入棧保護。

mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   
msr basepri, r0

這兩句代碼用來進入臨界區(qū)，中斷優(yōu)先級號大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷都會被屏蔽。

bl vTaskSwitchContext

調用函數，選擇下一個要執(zhí)行的任務，也就是尋找處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務。變量pxCurrentTCB指向找到的任務TCB。這個函數是核心中的核心，所有的其它代碼都是為了保證這個函數能正確運行。

運行FreeRTOS過程

某些運行FreeRTOS的硬件有兩種方法：通用方法和特定于硬件的方法（以下簡稱“特殊方法”）。

1.對于通用方法：

• configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設置為0或者硬件不支持這種特殊方法。
• 可以用于所有FreeRTOS支持的硬件。
• 完全用C實現(xiàn)，效率略低于特殊方法。
• 不強制要求限制最大可用優(yōu)先級數目

2.對于特殊方法：

• 并非所有硬件都支持。
• 必須將configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設置為1。
• 依賴一個或多個特定架構的匯編指令（一般是類似計算前導零[CLZ]指令）。
• 比通用方法更高效。
• 一般強制限定最大可用優(yōu)先級數目為32（0~31）。

Cortex-M3即支持通用方法也支持特殊方法，默認的移植層使用特殊方法。我們先來看一下通用方法如何找到下一個要執(zhí)行的任務。

在函數vTaskSwitchContext中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()完成任務尋址工作，使用通用方法時，這個宏的代碼如下所示。pxReadyTasksLists是定義在tasks.c中的靜態(tài)列表數組，表示就緒任務列表數組。在FreeRTOS任務創(chuàng)建分析中講過這個變量：新創(chuàng)建任務的過程中，任務TCB中的狀態(tài)列表項xStateListItem會掛接到就緒任務列表數組中。uxTopReadyPriority也是定義在tasks.c中的靜態(tài)變量，在此之前，它已經代表處于就緒態(tài)任務的最高優(yōu)先級值，在FreeRTOS任務創(chuàng)建與分析一文中，我們也講到了這個變量：每次任務創(chuàng)建，都會判斷新任務的優(yōu)先級是否大于這個變量，如果大于，還會更新這個變量的值。

while()循環(huán)從優(yōu)先級uxTopReadyPriority開始，從就緒列表數組pxReadyTasksLists中找出優(yōu)先級最高的任務，然后調用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY獲取最高優(yōu)先級列表中的下一個列表項，并從該列表項中獲取任務TCB指針賦給變量pxCurrentTCB。

	#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()								\
	{																	\
		/* 從就緒列表數組中找出最高優(yōu)先級列表*/				\
		while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ) )		\
		{																\
			configASSERT( uxTopReadyPriority );								\
			--uxTopReadyPriority;											\
		}																\																		\
		/* 相同優(yōu)先級的任務使用時間片共享處理器就是通過這個宏實現(xiàn)*/  	\
		listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) );   \
	} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

對于Cortex-M3硬件，還支持特殊方法選擇下一個要執(zhí)行的任務，那就是利用硬件提供的計算前導零指令CLZ。特殊方法時，宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()的代碼如下所示。

	#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()								\
	{																	\
	UBaseType_t uxTopPriority;												\																		\
		/* 從就緒列表數組中找出最高優(yōu)先級列表*/          				\
		portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );			\
		listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
	} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

與通用方法相比，可以發(fā)現(xiàn)從就緒列表數組中找出最高優(yōu)先級列表代碼不同了，特殊方法使用宏portGET_HIGHEST_PRIORITY來實現(xiàn)，將宏定義替換后，代碼為：

uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( (uxTopReadyPriority) ) )

在此之前，靜態(tài)變量uxTopReadyPriority同樣已經包含處于就緒態(tài)任務的最高優(yōu)先級的信息。與通用方法中使用任務優(yōu)先級數值不同，在特殊方法中，uxTopReadyPriority使用每一位來表示任務，比如變量uxTopReadyPriority的bit0為1，則表示存在優(yōu)先級為0的就緒任務，bit10為1則表示存在優(yōu)先級為10的就緒任務。由于32位整形數最多只有32位，因此使用這種特殊方法限定最大可用優(yōu)先級數目為32，即優(yōu)先級0~31。

我們這來看看__clz( (uxTopReadyPriority)是什么意思，__clz()會被匯編指令CLZ替換掉，這個指令用來計算一個變量從最高位開始的連續(xù)零的個數。舉個例子，假如變量uxTopReadyPriority為0x09（二進制為：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001），即bit3和bit0為1，表示存在優(yōu)先級為0和3的就緒任務。則__clz( (uxTopReadyPriority)的值為28，uxTopPriority =31-28=3，即優(yōu)先級為3的任務是就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務。下面的代碼跟通用方法一樣，調用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY獲取最高優(yōu)先級列表中的下一個列表項，并從該列表項中獲取任務TCB指針賦給變量pxCurrentTCB。

mov r0, #0 /* 退出臨界區(qū)*/
msr basepri, r0

這兩句代碼用來退出臨界區(qū)，通過向寄存器BASEPRI寫入數值0來實現(xiàn)。

ldmia sp!, {r3, r14}

這句代碼將寄存器R3和R14從堆棧中恢復，現(xiàn)在R3保存變量pxCurrentTCB的地址，需要注意的是，變量pxCurrentTCB在函數vTaskSwitchContext中可能已被修改，指向新的最高優(yōu)先級就緒任務；R14保存退出異常需要的信息。

ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]

這兩句代碼獲取變量pxCurrentTCB指向的任務TCB指針，并將TCB的第一個成員——當前堆棧棧頂的指針變量pxTopOfStack的值保存到寄存器R0中，也就是將即將運行的任務堆棧棧頂值存入R0。

ldmia r0!, {r4-r11}

將寄存器R4~R11出棧，并同時更新R0的值。

msr psp, r0

將最新的任務堆棧棧頂賦值給線程堆棧指針PSP。

bx r14

從異常中斷服務程序退出。異常發(fā)生時，R14中保存異常返回標志，包括返回后進入線程模式還是處理器模式、使用PSP堆棧指針還是MSP堆棧指針。當調用 bx r14指令后，硬件會知道要從異常返回，然后出棧，這個時候堆棧指針PSP已經指向了新任務堆棧的正確位置，當新任務的運行地址被出棧到PC寄存器后，新的任務也會被執(zhí)行。
至此，任務切換完成。

以上就是FreeRTOS進階之任務切換完全分析的詳細內容，更多關于FreeRTOS進階任務切換的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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