FreeRTOS系列第22篇---FreeRTOS任务切换分析
时间：2021-08-19 16:38:03
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[导读]关注、星标公众号，直达精彩内容ID：技术让梦想更伟大整理：李肖遥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，并使之获得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...
关注、星标公众号，直达精彩内容ID：技术让梦想更伟大整理：李肖遥
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，并使之获得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，任务切换的代码通常都是精心设计的，甚至会用到汇编指令或者与硬件相关的特性，比如Cortex-M3的CLZ指令。因此任务切换的大部分代码是由硬件移植层提供的，不同的平台，实现发方法也可能不同。
❝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：」
- 执行系统调用，比如普通任务可以使用
taskYIELD()强制任务切换，中断服务程序中使用portYIELD_FROM_ISR()强制任务切换； - 系统节拍时钟中断
IELD()还是portYIELD_FROM_ISR()，最终都会执行宏portYIELD()，这个宏的定义如下：#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，如果有任务解除阻塞的话，则使能PandSV中断，代码如下所示：void xPortSysTickHandler( void )
{
/* 设置中断掩码 */
vPortRaiseBASEPRI();
{
/* 增加tick计数器值，并检查是否有任务解除阻塞 */
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
/* 需要任务切换。产生PendSV中断 */
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
}
}
vPortClearBASEPRIFromISR();
}
从上面的代码中可以看出，PendSV中断的产生是通过代码：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，进行任务切换工作。Cortex-M3架构下，PendSV中断服务程序源码如下所示，这篇文章重点分析这段代码。__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、R12、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，因为即将调用函数vTaskSwitchContext,调用函数时,返回地址自动保存到R14中,所以一旦调用发生,R14的值会被覆盖,因此需要入栈保护; 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,因此也要入栈保护*/
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,通过使变量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,现在栈顶值存入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还是处理器模式、使用PSP堆栈指针还是MSP堆栈指针，当调用 bx r14指令后，硬件会知道要从异常返回，然后出栈，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，我们先用流程图的方式将整个过程画出来，然后再逐句分析代码。因为图形可以简化程序，并且信息更容易接受。mrs r0, psp
是将任务堆栈指针PSP的值保存到寄存器R0中，因为接下来我们会将寄存器R4~R11也保存到任务堆栈中，但是我们没有哪个汇编指令能直接操作PSP完成入栈，所以只能借助R0。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很多次了，它是位于tasks.c文件中定义的唯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，并且同步更新寄存器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任务创建分析》中讲任务TCB数据结构时我们知道，任务TCB数据结构第一个成员一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，然后完成数据出栈操作的。stmdb sp!, {r3, r14}
将R3和R14临时压入堆栈，因为即将调用函数vTaskSwitchContext。调用函数时，返回地址自动保存到R14中，所以一旦调用发生，R14的值会被覆盖，因此需要入栈保护。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，因此也要入栈保护。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，所有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」（以下简称“特殊方法”）。- 对于通用方法：
configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION设置为0或者硬件不支持这种特殊方法。- 可以用于所有FreeRTOS支持的硬件。
- 完全用C实现，效率略低于特殊方法。
- 不强制要求限制最大可用优先级数目
- 对于特殊方法：
- 并非所有硬件都支持。
- 必须将
configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION设置为1。 - 依赖一个或多个特定架构的汇编指令（一般是类似计算前导零[CLZ]指令）。
- 比通用方法更高效。
- 一般强制限定最大可用优先级数目为32（0~31）。
vTaskSwitchContext中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()完成任务寻址工作，使用通用方法时，这个宏的代码如下所示。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任务创建分析》中讲过这个变量：新创建任务的过程中，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，在此之前，它已经代表处于就绪态任务的最高优先级值；在FreeRTOS任务创建与分析一文中，我们也讲到了这个变量：每次任务创建，都会判断新任务的优先级是否大于这个变量，如果大于，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，然后调用宏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( 
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