FreeRTOS系列第22篇---FreeRTOS任务切换分析

李肖遥 2021-06-09 11:00

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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

对于Cortex-M3平台,这两种方法的实质是一样的,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,然后让这个任务获得CPU运行权,从而完成任务切换。

对于第一种任务切换方法,不管是使用taskYIELD()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。

图1-1:任务切换流程

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指针用于操作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,操作系统负责从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,通过向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完成出栈操作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。

每个任务都有自己的“任务堆栈”,在任务创建时会创建指定大小的任务堆栈,这是任务能够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。

如果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,操作系统内核以及异常处理程序中使用MSP指针,所以它们也需要一个堆栈空间,我们称之为“堆栈”;

这个堆栈空间和任务堆栈空间在物理上是绝对不可以重叠的,图1-2展示了一个编译好的程序可能的RAM分配情况(堆栈向下生长)。

图1-2:RAM中的变量和堆栈分布示意图

有了上面的基础,接下来我们来分析PendSV中断服务程序。

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”)。

  1. 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
  1. 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)。

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。我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( &( 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通过这个宏实现*/   \
  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()的代码如下所示。

#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,可以发现从就绪列表数组中找出最高优先级列表代码不同了,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) ) )

在此之前,静态变量uxTopReadyPriority同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同,在特殊方法中,uxTopReadyPriority使用每一位来表示任务,比如变量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。

由于32位整形数最多只有32位,因此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。

我们这来看看__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。

__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一样,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,通过向寄存器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,现在R3保存变量pxCurrentTCB的地址;

「需要注意的是」,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保存退出异常需要的信息。

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。

至此,任务切换完成。

‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧  END  ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
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