FreeRTOS系列第28篇---系統(tǒng)節(jié)拍時鐘分析

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ID：技術(shù)讓夢想更偉大

整理：李肖遙

操作系統(tǒng)的運行是由系統(tǒng)節(jié)拍時鐘驅(qū)動的。

在FreeRTOS中，我們知道系統(tǒng)延時和阻塞時間都是以系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為單位。

在配置文件FreeRTOSConfig.h，改變宏configTICK_RATE_HZ的值，可以改變系統(tǒng)節(jié)拍時鐘的中斷頻率，也間接的改變了系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期（T=1/f）。

比如設置宏configTICK_RATE_HZ為100，則系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為10ms，設置宏configTICK_RATE_HZ為1000，則系統(tǒng)節(jié)拍時鐘周期為1ms。

系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務程序會調(diào)用函數(shù)xTaskIncrementTick()來完成主要工作，如果該函數(shù)返回值為真（不等于pdFALSE），說明處于就緒態(tài)任務的優(yōu)先級比當前運行的任務優(yōu)先級高。

這會觸發(fā)一次PendSV中斷，進行上下文切換。我們重點看一下函數(shù)xTaskIncrementTick()做了哪些事情，以及什么情況下返回真值。

1.調(diào)度器正常情況

調(diào)度器正常（沒有掛起），即變量uxSchedulerSuspended的值為pdFALSE。

變量uxSchedulerSuspended是定義在tasks.c文件中的靜態(tài)變量，記錄調(diào)度器運行狀態(tài)。

當調(diào)用API函數(shù)vTaskSuspendAll()掛起調(diào)度器時，會將變量uxSchedulerSuspended增1。

所以變量uxSchedulerSuspended為真時，表示調(diào)度器被掛起。

調(diào)度器正常情況下，首先將變量xTickCount增1

。變量xTickCount也是在tasks.c文件中定義的靜態(tài)變量，它在啟動調(diào)度器時被清零，在每次系統(tǒng)節(jié)拍時鐘發(fā)生中斷后加1，用來記錄系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷的次數(shù)。

內(nèi)核會將所有阻塞的任務跟這個變量比較，以判斷是否超時（超時意味著可以解除阻塞）。

變量xTickCount的數(shù)據(jù)類型跟具體硬件有關，32位架構(gòu)硬件一般是無符號32位變量、8位或16位架構(gòu)一般是無符號16位變量。

即便是32位變量，xTickCount累加到0xFFFFFFFF后也會溢出。

因此，在程序中要判斷變量xTickCount是否溢出。

如果溢出（xTickCount為0），則調(diào)用宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()交換延時列表指針和溢出延時列表指針。

這個牽扯的有點廣，我們慢慢說明。

為了解決xTickCount溢出問題，F(xiàn)reeRTOS使用了兩個延時列表：xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2。

并使用延時列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時列表指針pxOverflowDelayedTaskList分別指向上面的延時列表1和延時列表2（在創(chuàng)建任務時將延時列表指針指向延時列表）。

順便說一下，上面的兩個延時列表指針變量和兩個延時列表變量都是在tasks.c中定義的靜態(tài)局部變量。

比如我們使用API延時函數(shù)vTaskDelay(?xTicksToDelay?)將任務延時xTicksToDelay個系統(tǒng)節(jié)拍周期，延時函數(shù)會以當前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)xTickCount為參考，這個值加上參數(shù)規(guī)定的延時時間xTicksToDelay，即xTickCount xTicksToDelay，就是下次喚醒任務的時間。

xTickCount xTicksToDelay會被記錄到任務TCB中，隨著任務一起掛接到延時列表。如果內(nèi)核判斷出xTickCount xTicksToDelay溢出（大于32位可以表示的最大值），就將當前任務掛接到列表指針pxOverflowDelayedTaskList指向的列表中，否則就掛接到列表指針pxDelayedTaskList指向的列表中。

任務按照延時時間，順序的插入到延時列表中。

所以當系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)計數(shù)器xTickCount溢出時，必須將延時列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換以便正確處理延時的任務。宏taskSWITCH_DELAYED_LISTS()的代碼如下所示：

#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????????????????????????????????????????????????????\
}
這段代碼完成兩部分工作，第一是將延時列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換；

第二是調(diào)用函數(shù)prvResetNextTaskUnblockTime()重新獲取下一次解除阻塞的時間，這個時間保存在靜態(tài)變量xNextTaskUnblockTime中，該變量也是定義在tasks.c中。

下面檢查延時列表任務是否到期時，會用到這個變量。

接下來函數(shù)會檢查延時列表，查看延時的任務是否到期。

前面我們說過，延時的任務根據(jù)延時時間先后，順序的插入到延時列表中，延時時間短的在前，延時時間長的在后，并且下一個要被喚醒任務的時間數(shù)值保存在變量xNextTaskUnblockTime中。

所以使用xTickCount與xNextTaskUnblockTime比較就可以知道是否有任務可以被喚醒。

if(?xConstTickCount?>=xNextTaskUnblockTime?)
{
???/*?延時的任務到期，需要被喚醒?*/
}
如果任務被喚醒，則將任務從延時列表中刪除，重新加入就緒列表。如果新加入就緒列表的任務優(yōu)先級大于當前任務優(yōu)先級，則會觸發(fā)一次上下文切換。

FreeRTOS支持多個任務共享同一個優(yōu)先級，如果設置為搶占式調(diào)度（宏configUSE_PREEMPTION設置為1）并且宏configUSE_TIME_SLICING也為1（或未定義），則相同優(yōu)先級的多個任務間進行任務切換。

最后還會調(diào)用時間片鉤子函數(shù)vApplicationTickHook()?？梢钥吹綍r間片鉤子函數(shù)是在中斷服務函數(shù)中調(diào)用的，所以這個鉤子函數(shù)必須簡潔、不可以調(diào)用不帶中斷保護的API函數(shù)。

2.調(diào)度器掛起情況

如果調(diào)度器掛起，正在執(zhí)行的任務會一直繼續(xù)執(zhí)行，內(nèi)核不再調(diào)度（意味著當前任務不會被切換出去），直到該任務調(diào)用了xTaskResumeAll()函數(shù)。

在調(diào)度器掛起階段內(nèi)，F(xiàn)reeRTOS使用靜態(tài)變量uxPendedTicks記錄掛起期間,系統(tǒng)節(jié)拍中斷的次數(shù)。當調(diào)用恢復調(diào)度器函數(shù)xTaskResumeAll()時，會執(zhí)行uxPendedTicks次本函數(shù)(xTaskIncrementTick())。變量uxPendedTicks同樣是在tasks.c中定義的。

3.自動任務切換

函數(shù)的最后幾行代碼頗讓人難以理解，其中局部變量xSwitchRequired是本函數(shù)的返回值，在文章開始也說過：“如果該函數(shù)返回值為真，說明處于就緒態(tài)任務的優(yōu)先級高于當前運行任務的優(yōu)先級，則會觸發(fā)一次PendSV中斷，進行上下文切換”，現(xiàn)在如果變量xYieldPending為真，則返回值也會為真，函數(shù)結(jié)束后會進行上下文切換。

這個變量xYieldPending的作用是什么？又是在什么時候被賦值為真呢？還真要從頭說起。

if(?xYieldPending?!=?pdFALSE?)
{
????xSwitchRequired?=?pdTRUE;
}
帶中斷保護的API函數(shù)，都會有一個參數(shù)pxHigherPriorityTaskWoken。

如果API函數(shù)導致一個任務解鎖，并且解鎖的任務優(yōu)先級高于當前運行的任務，則API函數(shù)將*pxHigherPriorityTaskWoken設置成pdTRUE。

在中斷退出前，老版本的FreeRTOS需要手動觸發(fā)一次任務切換。

比如在《?FreeRTOS系列第15篇---使用任務通知實現(xiàn)命令行解釋器》一文中，我們在串口接收中斷中調(diào)用了帶中斷保護的API函數(shù)vTaskNotifyGiveFromISR()，在函數(shù)執(zhí)行完后，會使用代碼portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken)判斷參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken是否為真，為真則手動強制上下文切換。

BaseType_txHigherPriorityTaskWoken?=?pdFALSE;????????
/*收到一幀數(shù)據(jù)，向命令行解釋器任務發(fā)送通知*/?
vTaskNotifyGiveFromISR(xCmdAnalyzeHandle,