FreeRTOS系列第28篇---系统节拍时钟分析

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ID：技术让梦想更伟大

整理：李肖遥

操作系统的运行是由系统节拍时钟驱动的。

在FreeRTOS中，我们知道系统延时和阻塞时间都是以系统节拍时钟周期为单位。

在配置文件FreeRTOSConfig.h，改变宏configTICK_RATE_HZ的值，可以改变系统节拍时钟的中断频率，也间接的改变了系统节拍时钟周期（T=1/f）。

比如设置宏configTICK_RATE_HZ为100，则系统节拍时钟周期为10ms，设置宏configTICK_RATE_HZ为1000，则系统节拍时钟周期为1ms。

系统节拍中断服务程序会调用函数xTaskIncrementTick()来完成主要工作，如果该函数返回值为真（不等于pdFALSE），说明处于就绪态任务的优先级比当前运行的任务优先级高。

这会触发一次PendSV中断，进行上下文切换。我们重点看一下函数xTaskIncrementTick()做了哪些事情，以及什么情况下返回真值。

1.调度器正常情况

调度器正常（没有挂起），即变量uxSchedulerSuspended的值为pdFALSE。

变量uxSchedulerSuspended是定义在tasks.c文件中的静态变量，记录调度器运行状态。

当调用API函数vTaskSuspendAll()挂起调度器时，会将变量uxSchedulerSuspended增1。

所以变量uxSchedulerSuspended为真时，表示调度器被挂起。

调度器正常情况下，首先将变量xTickCount增1

。变量xTickCount也是在tasks.c文件中定义的静态变量，它在启动调度器时被清零，在每次系统节拍时钟发生中断后加1，用来记录系统节拍时钟中断的次数。

内核会将所有阻塞的任务跟这个变量比较，以判断是否超时（超时意味着可以解除阻塞）。

变量xTickCount的数据类型跟具体硬件有关，32位架构硬件一般是无符号32位变量、8位或16位架构一般是无符号16位变量。

即便是32位变量，xTickCount累加到0xFFFFFFFF后也会溢出。

因此，在程序中要判断变量xTickCount是否溢出。

如果溢出（xTickCount为0），则调用宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()交换延时列表指针和溢出延时列表指针。

这个牵扯的有点广，我们慢慢说明。

为了解决xTickCount溢出问题，FreeRTOS使用了两个延时列表：xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2。

并使用延时列表指针pxDelayedTaskList和溢出延时列表指针pxOverflowDelayedTaskList分别指向上面的延时列表1和延时列表2（在创建任务时将延时列表指针指向延时列表）。

顺便说一下，上面的两个延时列表指针变量和两个延时列表变量都是在tasks.c中定义的静态局部变量。

比如我们使用API延时函数vTaskDelay( xTicksToDelay )将任务延时xTicksToDelay个系统节拍周期，延时函数会以当前的系统节拍中断次数xTickCount为参考，这个值加上参数规定的延时时间xTicksToDelay，即xTickCount xTicksToDelay，就是下次唤醒任务的时间。

xTickCount xTicksToDelay会被记录到任务TCB中，随着任务一起挂接到延时列表。如果内核判断出xTickCount xTicksToDelay溢出（大于32位可以表示的最大值），就将当前任务挂接到列表指针pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否则就挂接到列表指针pxDelayedTaskList指向的列表中。

任务按照延时时间，顺序的插入到延时列表中。

所以当系统节拍中断次数计数器xTickCount溢出时，必须将延时列表指针pxDelayedTaskList和溢出延时列表指针pxOverflowDelayedTaskList交换以便正确处理延时的任务。宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()的代码如下所示：

#definetaskSWITCH_DELAYED_LISTS()                                                       \
{                                                                                       \
         List_t *pxTemp                                                          \
                                                                                        \
         /* The delayed tasks list should beempty when the lists are switched. */       \
         configASSERT( ( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList) ) );                     \
                                                                                        \
         pxTemp = pxDelayedTaskList;                                                    \
         pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList;                                 \
         pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp;                                            \
         xNumOfOverflows ;                                                             \
         prvResetNextTaskUnblockTime                                                    \
}
这段代码完成两部分工作，第一是将延时列表指针pxDelayedTaskList和溢出延时列表指针pxOverflowDelayedTaskList交换；

第二是调用函数prvResetNextTaskUnblockTime()重新获取下一次解除阻塞的时间，这个时间保存在静态变量xNextTaskUnblockTime中，该变量也是定义在tasks.c中。

下面检查延时列表任务是否到期时，会用到这个变量。

接下来函数会检查延时列表，查看延时的任务是否到期。

前面我们说过，延时的任务根据延时时间先后，顺序的插入到延时列表中，延时时间短的在前，延时时间长的在后，并且下一个要被唤醒任务的时间数值保存在变量xNextTaskUnblockTime中。

所以使用xTickCount与xNextTaskUnblockTime比较就可以知道是否有任务可以被唤醒。

if( xConstTickCount >=xNextTaskUnblockTime )
{
   /* 延时的任务到期，需要被唤醒 */
}
如果任务被唤醒，则将任务从延时列表中删除，重新加入就绪列表。如果新加入就绪列表的任务优先级大于当前任务优先级，则会触发一次上下文切换。

FreeRTOS支持多个任务共享同一个优先级，如果设置为抢占式调度（宏configUSE_PREEMPTION设置为1）并且宏configUSE_TIME_SLICING也为1（或未定义），则相同优先级的多个任务间进行任务切换。

最后还会调用时间片钩子函数vApplicationTickHook()。可以看到时间片钩子函数是在中断服务函数中调用的，所以这个钩子函数必须简洁、不可以调用不带中断保护的API函数。

2.调度器挂起情况

如果调度器挂起，正在执行的任务会一直继续执行，内核不再调度（意味着当前任务不会被切换出去），直到该任务调用了xTaskResumeAll()函数。

在调度器挂起阶段内，FreeRTOS使用静态变量uxPendedTicks记录挂起期间,系统节拍中断的次数。当调用恢复调度器函数xTaskResumeAll()时，会执行uxPendedTicks次本函数(xTaskIncrementTick())。变量uxPendedTicks同样是在tasks.c中定义的。

3.自动任务切换

函数的最后几行代码颇让人难以理解，其中局部变量xSwitchRequired是本函数的返回值，在文章开始也说过：“如果该函数返回值为真，说明处于就绪态任务的优先级高于当前运行任务的优先级，则会触发一次PendSV中断，进行上下文切换”，现在如果变量xYieldPending为真，则返回值也会为真，函数结束后会进行上下文切换。

这个变量xYieldPending的作用是什么？又是在什么时候被赋值为真呢？还真要从头说起。

if( xYieldPending != pdFALSE )
{
    xSwitchRequired = pdTRUE;
}
带中断保护的API函数，都会有一个参数pxHigherPriorityTaskWoken。

如果API函数导致一个任务解锁，并且解锁的任务优先级高于当前运行的任务，则API函数将*pxHigherPriorityTaskWoken设置成pdTRUE。

在中断退出前，老版本的FreeRTOS需要手动触发一次任务切换。

比如在《 FreeRTOS系列第15篇---使用任务通知实现命令行解释器》一文中，我们在串口接收中断中调用了带中断保护的API函数vTaskNotifyGiveFromISR()，在函数执行完后，会使用代码portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken)判断参数xHigherPriorityTaskWoken是否为真，为真则手动强制上下文切换。

BaseType_txHigherPriorityTaskWoken = pdFALSE;        
/*收到一帧数据，向命令行解释器任务发送通知*/ 
vTaskNotifyGiveFromISR(xCmdAnalyzeHandle,