FreeRTOS系列第28篇---系統(tǒng)節(jié)拍時鐘分析
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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,