FreeRTOS调度器

FreeRTOS----调度器

调度器的启动流程分析

当创建完任务之后，会调用vTaskStartScheduler()函数，启动任务调度器；

void vTaskStartScheduler( void )
{
/* 部分代码如下： */
BaseType_t xReturn;
    xReturn = xTaskCreate(	prvIdleTask,
                          configIDLE_TASK_NAME,
                          configMINIMAL_STACK_SIZE,
                          ( void * ) NULL,
                          portPRIVILEGE_BIT,
                          &xIdleTaskHandle ); 

	#if ( configUSE_TIMERS == 1 )
	{
		if( xReturn == pdPASS )
		{
			xReturn = xTimerCreateTimerTask();
		}
		else
		{
			mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
		}
	}
	#endif /* configUSE_TIMERS */

	if( xReturn == pdPASS )
	{
		#ifdef FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT
		{
			freertos_tasks_c_additions_init();
		}
		#endif

		portDISABLE_INTERRUPTS();

		#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
		{
			_impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );
		}
		#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */

		xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
		xSchedulerRunning = pdTRUE;
		xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;

		portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();

		traceTASK_SWITCHED_IN();

		if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
		{
			/* Should not reach here as if the scheduler is running the
			function will not return. */
		}
		else
		{
			/* Should only reach here if a task calls xTaskEndScheduler(). */
		}
	}
	else
	{
		configASSERT( xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY );
	}

	/* Prevent compiler warnings if INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle is set to 0,
	meaning xIdleTaskHandle is not used anywhere else. */
	( void ) xIdleTaskHandle;
}

• 创建空闲任务，如果使用静态内存，就使用函数xTaskCreateStatic()来创建，空闲任务的优先级为0，优先级最低；
• 如果使用软件定时器的话，需要通过函数xTimerCreateTimerTask()来创建定时器服务任务；
• 关闭中断；
• 将变量xSchedulerRunning设置为pdTRUE，表示调度器开始运行；
• 如果宏configGENERATE_RUN_TIME_STATS为1的时候，说明使能了时间统计功能，此时，需要用户实现宏portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS，用来配置一个定时器/计数器；
• 调用函数xPortStartScheduler()来初始化调度器启动有关的硬件；

FreeRTOS系统时钟是由滴答定时器来提供的，而且任务切换也会用到PendSV中断，而这些硬件的初始化由xPortStartScheduler()函数来完成，具体代码如下：

/* 部分重要代码如下： */
/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

/* Start the timer that generates the tick ISR.  Interrupts are disabled
here already. */
vPortSetupTimerInterrupt();

/* Initialise the critical nesting count ready for the first task. */
uxCriticalNesting = 0;

/* Start the first task. */
prvStartFirstTask();

• 设置PendSV的中断优先级为最低优先级；
• 设置SysTick的中断优先级为最低优先级；
• 调用函数vPortSetupTimerInterrupt()来设置滴答定时器的定时周期，并且使能滴答定时器的中断；
• 初始化临界区嵌套计数器为0；
• 调用函数prvStartFirstTask()开启第一个任务；

启动第一个任务

函数prvStartFirstTask()用于启动第一个任务，函数源码如下：

__asm void prvStartFirstTask( void )
{
	PRESERVE8

	/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */
	ldr r0, =0xE000ED08
	ldr r0, [r0]
	ldr r0, [r0]

	/* Set the msp back to the start of the stack. */
	msr msp, r0
	/* Globally enable interrupts. */
	cpsie i
	cpsie f
	dsb
	isb
	/* Call SVC to start the first task. */
	svc 0
	nop
	nop
}

• PRESERVE8，伪指令，意为8字节对齐；

• 一般来说向量表应该是从起始地址(0x00000000)开始存储的，不过有些应用可能需要在运行时修改或者重定义向量表，Cortex-M处理器为此提供了一个叫做向量表重定位的特性，即提供了一个名为向量表偏移寄存器(VTOR)的可编程寄存器，该寄存器的地址为0xE000ED08，通过这个寄存器可以重新定义向量表；

  在向量表的起始地址存储的是MSP(主栈指针)初始值，而下面几行代码的操作就是获取这个MSP初始值，并赋值给r0，紧接着将r0的值赋值给MSP，即将初始值给MSP，复位；

  ldr r0, =0xE000ED08
  ldr r0, [r0]
  ldr r0, [r0]
  msr msp, r0
  

• 指令cpsie i和cpsie f的含义如下：

• 指令dsb和isb的含义如下：

• svc 0，调用SVC指令触发SVC中断，SVC也叫做请求管理调用，SVC和PendSV异常对于OS的设计来说非常重要，而在FreeRTOS中仅仅使用SVC异常来启动第一个任务，后面的程序中就再也用不到SVC了；

至此之后，将进入SVC异常中断处理函数，SVC中断服务函数应该为SVC_Handler()，但是FreeRTOSConfig.h中通常通过#define的方式重新定义为vPortSVCHandler()，如下：

#define vPortSVCHandler SVC_Handler

函数vPortSVCHandler()定义在port.c文件中，源码如下：

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
	PRESERVE8

	ldr	r3, =pxCurrentTCB	/* Restore the context. */
	ldr r1, [r3]			/* Use pxCurrentTCBConst to get the pxCurrentTCB address. */
	ldr r0, [r1]			/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
	ldmia r0!, {r4-r11}		/* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */
	msr psp, r0			/* Restore the task stack pointer. */
	isb
	mov r0, #0
	msr	basepri, r0
	orr r14, #0xd
	bx r14
}

• pxCurrentTCB是一个执行TCB_t的指针，这个指针永远指向正在运行的任务，而这里是获取这个指针存储的地址；下面指令一连串的操作就是，先获取pxCurrentTCB指针所指向的TCB地址，然后再通过这个地址获取到TCB的第一个字段，也就是任务堆栈的栈顶指针pxTopOfStack所指向的位置；

  ldr	r3, =pxCurrentTCB
  ldr r1, [r3]
  ldr r0, [r1]
  

  最终的目的就是要获取第一个要运行的这个任务的任务栈顶指针；

  因为任务所对应的寄存器值，也就是保存现场时存入的这些值，在任务切换时需要恢复现场，即恢复这些寄存器的值；

• ldmia r0!, {r4-r11}，LDMIA指令是多加载/存储指令，不过这里使用的是具有回写的多加载/存储指令，此处的作用就是，将r0寄存器中存储的地址及后面多个连续地址中的值赋值给寄存器r4-r11，而对于r0_{r3、r12、PC、xPSR等这些寄存器会在退出中断的时候MCU自动出栈恢复的，r4}r11需要用户手动出栈；

• msr psp, r0进程栈指针PSP设置为任务的堆栈；

• msr basepri, r0即寄存器basepri=0，开启中断；

• orr r14, #0xd，r14是连接寄存器(LR)， r14最后四位按位或上0x0d ，表示退出异常以后CPU进入线程模式并且使用进程栈；

• bx r14，该指令执行以后，硬件自动恢复寄存器r0~r3、r12、LR、PC和xPSR的值，堆栈使用进程栈PSP，然后执行寄存器PC中保存的任务函数；

至此，FreeRTOS的任务调度器正式开始运行；

任务的切换

RTOS系统的核心是任务管理，而任务管理的核心是任务切换，任务切换决定了任务的执行顺序，任务切换效率的高低也决定了一个RTOS的性能；

PendSV异常

PendSV(可挂起的系统调用)异常，其优先级可以通过编程设置，通过将中断控制和状态寄存器ICSR的bit28置1来触发PendSV中断；与SVC异常不同的是，它的挂起状态可在更高优先级异常处理内设置，且会在高优先级异常处理完成后执行，从而利用该特性，将PendSV设置为最低的异常优先级，可以让PendSV异常处理在所有其他中断处理完成后执行，这对于上下文的切换非常有用，也是各种OS设计中的关键；

FreeRTOS系统的任务切换最终都是在PendSV中断服务函数中完成的；

PendSV中断服务函数本应该为PendSV_Handler()，但是在FreeRTOS中重定义为如下：

#define xPortPendSVHandler 	PendSV_Handler

函数xPortPendSVHandler()源码如下：

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
	extern uxCriticalNesting;
	extern pxCurrentTCB;
	extern vTaskSwitchContext;

	PRESERVE8

	mrs r0, psp
	isb

	ldr	r3, =pxCurrentTCB		/* Get the location of the current TCB. */
	ldr	r2, [r3]

	stmdb r0!, {r4-r11}			/* Save the remaining registers. */
	str r0, [r2]				/* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */
	stmdb sp!, {r3, r14}
	mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
	msr basepri, r0
	dsb
	isb
	bl vTaskSwitchContext
	mov r0, #0
	msr basepri, r0
	ldmia sp!, {r3, r14}

	ldr r1, [r3]
	ldr r0, [r1]				/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
	ldmia r0!, {r4-r11}			/* Pop the registers and the critical nesting count. */
	msr psp, r0
	isb
	bx r14
	nop
}

上述代码整个过程的操作：

1. 保存现场(当前正在运行的任务)；
2. 关中断，进入临界区；
3. 调用vTaskSwitchContext()函数获取下一个要运行的任务，将pxCurrentTCB更新为这个要运行任务的任务控制块；
4. 获取新任务的栈顶指针；
5. 恢复现场(即将要运行的任务的现场)；
6. 更新进程栈指针PSP的值；
7. 最后执行指令bx r14，新的任务开始运行；

查找下一个要运行的任务

调用vTaskSwitchContext()函数查找下一个要运行的任务，而在函数内部最终是调用taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()来完成的；

在FreeRTOS中查找下一个要运行的任务有两种方式，分别是通用的方式和硬件方式，具体使用哪一种需要通过是否配置configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION这个宏来决定的，当这个宏为1时，使用的就是硬件方式，否则就是通用方式；

两种方式的区别如下：

通用方式

数组pxReadyTasksLists[]为就绪任务列表数组，一个优先级对应一个列表，同优先级的就绪任务都挂接在对应的列表上；

变量uxTopReadyPriority代表处于就绪态的最高优先级值，该值更新的情况有两种：

1. 每次创建任务的时候会判断新任务的优先级是否大于uxTopReadyPriority当前值，如果大于那就将新任务的优先级值赋值给uxTopReadyPriority；
2. 当有新的就绪任务被添加到就绪列表中时会判断和更新uxTopReadyPriority的值；

在通用方式中，就是从uxTopReadyPriority指代的这个当前就绪态中最高优先级值开始判断，哪个列表不为空就说明哪个优先级有就绪的任务；

硬件方式

硬件方式是使用处理器自带的硬件指令来实现的，比如Cortex-M处理器就带有计算前导零个数指令：CLZ；

使用硬件方式时，uxTopReadyPriority变量就不是代表就绪态中的最高优先级了，而是使用该变量的每个bit代表一个优先级，bit0代表优先级0，bit31代表优先级31，当某个优先级有就绪任务的话就将每个位置1，因此，使用硬件方式时，最多只能有32个优先级；

CLZ指令用于计算前导零个数，也就是从最高位开始到第一个为1的bit位，其中间0的个数，之后，再用31减去这个个数得到的就是处于就绪态的最高优先级值；

获取到就绪态中最高优先级之后，使用listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()从对应的列表中找出下一个列表项，将该列表项对应的任务块赋值给pxCurrentTCB，这样就确定了下一个要运行的任务；

任务切换

在两种情况下会触发任务切换：执行系统调用和滴答定时器中断；

执行系统调用

执行系统调用就是执行FreeRTOS系统提供的相关API，比如任务切换函数taskYIELD()和其他间接调用taskYIELD()的API；

函数taskYIELD()其实是个宏，其定义如下：

#define taskYIELD()  portYIELD()

/* Scheduler utilities. */
#define portYIELD()																\
{																				\
	/* Set a PendSV to request a context switch. */								\
	portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;								\
																				\
	/* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely	\
	within the specified behaviour for the architecture. */						\
	__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
	__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
}

上述源码最终的操作就是通过向中断控制和状态寄存器ICSR的bit28写入1，挂起PendSV来触发PendSV中断，这样就可以在PendSV中断服务函数中进行任务切换；

中断级的任务切换函数为portYIELD_FROM_ISR()，最终也是通过函数portYIELD()来完成的；

滴答定时器中断

需要修改滴答定时器中断服务函数如下：

void SysTick_Handler(void)
{
    if(xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED)
    {
        xPortSysTickHandler();
    }
}

在滴答定时器服务函数中调用xPortSysTickHandler()，此函数源码如下：

void xPortSysTickHandler( void )
{
	vPortRaiseBASEPRI(); //关中断
	{
		if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ) //增加时钟计数器xTickCount的值
		{
            //向中断控制和状态寄存器ICSR的bit28写入1，挂起PendSV来触发PendSV中断
			portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
		}
	}
	vPortClearBASEPRIFromISR(); //打开中断
}

时间片调度

FreeRTOS支持多个任务同时拥有同一个优先级，即同一个优先级中的一个任务在运行一个时间片(一个时钟节拍的长度)后让出CPU的使用权，让有同优先级的下一个任务运行；

要使用时间片调度的话，必须将宏configUSE_PREEMPTION和宏configUSE_TIME_SLICING配置为1；

时间片的长度由宏configTICK_RATE_HZ来确定，一个时间片的长度就是滴答定时器的中断周期，比如configTICK_RATE_HZ值设置为1000，那么一个时间片的长度就是1ms；

时间片调度发生在滴答定时器的中断服务函数中；