FreeRTOS任务相关的代码大约占总代码的一半左右,这些代码都在为一件事情而努力,即找到优先级最高的就绪任务,并使之得到CPU运行权。任务切换是这一过程的直接实施者,为了更快的找到优先级最高的就绪任务,任务切换的代码一般都是精心设计的,甚至会用到汇编指令或者与硬件相关的特性,好比Cortex-M3的CLZ指令。所以任务切换的大部分代码是由硬件移植层提供的,不一样的平台,实现发方法也可能不一样,这篇文章以Cortex-M3为例,讲述FreeRTOS任务切换的过程。
FreeRTOS有两种方法触发任务切换:数组
对于Cortex-M3平台,这两种方法的实质是同样的,都会使能一个PendSV中断,在PendSV中断服务程序中,找到最高优先级的就绪任务,而后让这个任务得到CPU运行权,从而完成任务切换。
对于第一种任务切换方法,不论是使用taskYIELD()仍是portYIELD_FROM_ISR(),最终都会执行宏portYIELD(),这个宏的定义以下:数据结构
#define portYIELD() \ { \ /*产生PendSV中断*/ \ portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \ }
对于第二种任务切换方法,在系统节拍时钟中断服务函数中,首先会更新tick计数器的值、查看是否有任务解除阻塞,若是有任务解除阻塞的话,则使能PandSV中断,代码以下所示:架构
void xPortSysTickHandler( void ) { /* 设置中断掩码 */ vPortRaiseBASEPRI(); { /* 增长tick计数器值,并检查是否有任务解除阻塞 */ if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ) { /* 须要任务切换。产生PendSV中断 */ portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; } } vPortClearBASEPRIFromISR(); }
从上面的代码中能够看出,PendSV中断的产生是经过代码:portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT实现的,它向中断状态寄存器bit28位写入1,将PendSV中断设置为挂起状态,等到优先级高于PendSV的中断执行完成后,PendSV中断服务程序将被执行,进行任务切换工做。
Cortex-M3架构下,PendSV中断服务程序源码以下所示,这篇文章重点分析这段代码。函数
__asm void xPortPendSVHandler( void ) { extern uxCriticalNesting; extern pxCurrentTCB; /* 指向当前激活的任务 */ extern vTaskSwitchContext; PRESERVE8 mrs r0, psp /* PSP内容存入R0 */ isb /* 指令同步隔离,清流水线 */ ldr r3, =pxCurrentTCB /* 当前激活的任务TCB指针存入R2 */ ldr r2, [r3] stmdb r0!, {r4-r11} /* 保存剩余的寄存器,异常处理程序执行前,硬件自动将xPSR、PC、LR、R十二、R0-R3入栈 */ str r0, [r2] /* 将新的栈顶保存到任务TCB的第一个成员中 */ stmdb sp!, {r3, r14} /* 将R3和R14临时压入堆栈,由于即将调用函数vTaskSwitchContext,调用函数时,返回地址自动保存到R14中,因此一旦调用发生,R14的值会被覆盖,所以须要入栈保护; R3保存的当前激活的任务TCB指针(pxCurrentTCB)地址,函数调用后会用到,所以也要入栈保护*/ mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY /* 进入临界区 */ msr basepri, r0 dsb /* 数据和指令同步隔离 */ isb bl vTaskSwitchContext /* 调用函数,寻找新的任务运行,经过使变量pxCurrentTCB指向新的任务来实现任务切换 */ mov r0, #0 /* 退出临界区*/ msr basepri, r0 ldmia sp!, {r3, r14} /* 恢复R3和R14*/ ldr r1, [r3] ldr r0, [r1] /* 当前激活的任务TCB第一项保存了任务堆栈的栈顶,如今栈顶值存入R0*/ ldmia r0!, {r4-r11} /* 出栈*/ msr psp, r0 isb bx r14 /* 异常发生时,R14中保存异常返回标志,包括返回后进入线程模式仍是处理器模式、使用PSP堆栈指针仍是MSP堆栈指针,当调用 bx r14指令后,硬件会知道要从异常返回,而后出栈,这个时候堆栈指针PSP已经指向了新任务堆栈的正确位置,当新任务的运行地址被出栈到PC寄存器后,新的任务也会被执行。*/ nop }
为了便于理解上面的代码,咱们先用流程图的方式将整个过程画出来,而后再逐句分析代码。由于图形能够简化程序,而且信息更容易接受。ui
图1-1:任务切换流程操作系统
先强调图1-1中的几个术语,首先是“主堆栈指针MSP”和“进程堆栈指针PSP”。对于Cortex-M3硬件,当系统复位后,默认使用MSP指针。MSP指针用于操做系统内核以及处理异常(也就是说中断服务程序中默认强制使用MSP指针,这是硬件自动设置的)。任务(进程)使用PSP指针,操做系统负责从MSP指针切换到PSP指针。这个过程在《FreeRTOS高级篇3---启动调度器》一文的最后部分中进行了讲解:在SVC中断服务程序中启动第一个任务,当从SVC中断服务退出前,经过向r14寄存器最后4位按位或上0x0D,使得硬件在退出时使用进程堆栈指针PSP完成出栈操做并返回后进入线程模式、返回Thumb状态。
其次,“堆栈”和“任务堆栈”也值得强调一下。每一个任务都有本身的“任务堆栈”,在任务建立时会建立指定大小的任务堆栈,这是任务可以独立运行的前提条件之一。在任务中定义的局部变量,会优先使用寄存器,寄存器不够时就使用任务堆栈的空间。若是在任务中调用其它函数,则调用前的保存信息也存到任务堆栈中去。根据任务代码来估算任务堆栈的大小是件十分重要的技能。前面也说了,Cortex-M3硬件有两个堆栈指针,操做系统内核以及异常处理程序中使用MSP指针,因此它们也须要一个堆栈空间,咱们称之为“堆栈”,这个堆栈空间和任务堆栈空间在物理上是绝对不能够重叠的,图1-2展现了一个编译好的程序可能的RAM分配状况(堆栈向下生长)。线程
图1-2:RAM中的变量和堆栈分布示意图设计
有了上面的基础,接下来咱们来分析PendSV中断服务程序。指针
mrs r0, psp
是将任务堆栈指针PSP的值保存到寄存器R0中,由于接下来咱们会将寄存器R4~R11也保存到任务堆栈中,可是咱们没有哪一个汇编指令能直接操做PSP完成入栈,因此只能借助R0。code
ldr r3, =pxCurrentTCB /* 当前激活的任务TCB指针存入R2 */ ldr r2, [r3]
这两句代码是获取当前激活的任务TCP指针,指针pxCurrentTCB前面文章已经提到过不少次了,它是位于tasks.c文件中定义的惟一一个全局指针型变量,指向当前激活的任务TCB。
stmdb r0!, {r4-r11}
这句代码用于将寄存器R4~R11保存到当前激活的程序任务堆栈中,而且同步更新寄存器R0的值。
str r0, [r2]
寄存器R2中保存当前激活的任务TCB指针,在《FreeRTOS高级篇2---FreeRTOS任务建立分析》中讲任务TCB数据结构时咱们知道,任务TCB数据结构第一个成员必定是指向任务当前堆栈栈顶的指针变量pxTopOfStack。这句代码将R0的内容保存到任务TCB数据结构的第一个成员pxTopOfStack中,也就是将最新的任务堆栈指针保存到任务TCB的pxTopOfStack字段中。当任务被激活时,就是从这个字段中获取任务堆栈指针,而后完成数据出栈操做的。
stmdb sp!, {r3, r14}
将R3和R14临时压入堆栈,由于即将调用函数vTaskSwitchContext。调用函数时,返回地址自动保存到R14中,因此一旦调用发生,R14的值会被覆盖,所以须要入栈保护。R3保存的当前激活的任务TCB指针(pxCurrentTCB)地址,函数调用后会用到,所以也要入栈保护。
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY msr basepri, r0
这两句代码用来进入临界区,中断优先级号大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断都会被屏蔽。
bl vTaskSwitchContext
调用函数,选择下一个要执行的任务,也就是寻找处于就绪态的最高优先级任务。变量pxCurrentTCB指向找到的任务TCB。这个函数是核心中的核心,全部的其它代码都是为了保证这个函数能正确运行。
某些运行FreeRTOS的硬件有两种方法:通用方法和特定于硬件的方法(如下简称“特殊方法”)。
1.对于通用方法:
2.对于特殊方法:
Cortex-M3即支持通用方法也支持特殊方法,默认的移植层使用特殊方法。咱们先来看一下通用方法如何找到下一个要执行的任务。
在函数vTaskSwitchContext中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()完成任务寻址工做,使用通用方法时,这个宏的代码以下所示。pxReadyTasksLists是定义在tasks.c中的静态列表数组,表示就绪任务列表数组。在《FreeRTOS高级篇2---FreeRTOS任务建立分析》中讲过这个变量:新建立任务的过程当中,任务TCB中的状态列表项xStateListItem会挂接到就绪任务列表数组中。uxTopReadyPriority也是定义在tasks.c中的静态变量,在此以前,它已经表明处于就绪态任务的最高优先级值,在FreeRTOS任务建立与分析一文中,咱们也讲到了这个变量:每次任务建立,都会判断新任务的优先级是否大于这个变量,若是大于,还会更新这个变量的值。
while()循环从优先级uxTopReadyPriority开始,从就绪列表数组pxReadyTasksLists中找出优先级最高的任务,而后调用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY获取最高优先级列表中的下一个列表项,并从该列表项中获取任务TCB指针赋给变量pxCurrentTCB。
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \ { \ /* 从就绪列表数组中找出最高优先级列表*/ \ while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ) ) \ { \ configASSERT( uxTopReadyPriority ); \ --uxTopReadyPriority; \ } \ \ /* 相同优先级的任务使用时间片共享处理器就是经过这个宏实现*/ \ listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ); \ } /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */
对于Cortex-M3硬件,还支持特殊方法选择下一个要执行的任务,那就是利用硬件提供的计算前导零指令CLZ。特殊方法时,宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()的代码以下所示。
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \ { \ UBaseType_t uxTopPriority; \ \ /* 从就绪列表数组中找出最高优先级列表*/ \ portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority ); \ listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \ } /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */
与通用方法相比,能够发现从就绪列表数组中找出最高优先级列表代码不一样了,特殊方法使用宏portGET_HIGHEST_PRIORITY来实现,将宏定义替换后,代码为:
uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( (uxTopReadyPriority) ) )
在此以前,静态变量uxTopReadyPriority一样已经包含处于就绪态任务的最高优先级的信息。与通用方法中使用任务优先级数值不一样,在特殊方法中,uxTopReadyPriority使用每一位来表示任务,好比变量uxTopReadyPriority的bit0为1,则表示存在优先级为0的就绪任务,bit10为1则表示存在优先级为10的就绪任务。因为32位整形数最多只有32位,所以使用这种特殊方法限定最大可用优先级数目为32,即优先级0~31。
咱们这来看看__clz( (uxTopReadyPriority)是什么意思,__clz()会被汇编指令CLZ替换掉,这个指令用来计算一个变量从最高位开始的连续零的个数。举个例子,假如变量uxTopReadyPriority为0x09(二进制为:0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001),即bit3和bit0为1,表示存在优先级为0和3的就绪任务。则__clz( (uxTopReadyPriority)的值为28,uxTopPriority =31-28=3,即优先级为3的任务是就绪态最高优先级任务。下面的代码跟通用方法同样,调用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY获取最高优先级列表中的下一个列表项,并从该列表项中获取任务TCB指针赋给变量pxCurrentTCB。
mov r0, #0 /* 退出临界区*/ msr basepri, r0
这两句代码用来退出临界区,经过向寄存器BASEPRI写入数值0来实现。
ldmia sp!, {r3, r14}
这句代码将寄存器R3和R14从堆栈中恢复,如今R3保存变量pxCurrentTCB的地址,须要注意的是,变量pxCurrentTCB在函数vTaskSwitchContext中可能已被修改,指向新的最高优先级就绪任务;R14保存退出异常须要的信息。
ldr r1, [r3] ldr r0, [r1]
这两句代码获取变量pxCurrentTCB指向的任务TCB指针,并将TCB的第一个成员——当前堆栈栈顶的指针变量pxTopOfStack的值保存到寄存器R0中,也就是将即将运行的任务堆栈栈顶值存入R0。
ldmia r0!, {r4-r11}
将寄存器R4~R11出栈,并同时更新R0的值。
msr psp, r0
将最新的任务堆栈栈顶赋值给线程堆栈指针PSP。
bx r14
从异常中断服务程序退出。异常发生时,R14中保存异常返回标志,包括返回后进入线程模式仍是处理器模式、使用PSP堆栈指针仍是MSP堆栈指针。当调用 bx r14指令后,硬件会知道要从异常返回,而后出栈,这个时候堆栈指针PSP已经指向了新任务堆栈的正确位置,当新任务的运行地址被出栈到PC寄存器后,新的任务也会被执行。 至此,任务切换完成。