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

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ID：技術(shù)讓夢(mèng)想更偉大

整理：李肖遙

操作系統(tǒng)的運(yùn)行是由系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的。

在FreeRTOS中，我們知道系統(tǒng)延時(shí)和阻塞時(shí)間都是以系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)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(shí)鐘的中斷頻率，也間接的改變了系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘周期（T=1/f）。

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

系統(tǒng)節(jié)拍中斷服務(wù)程序會(huì)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(wù)的優(yōu)先級(jí)比當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高。

這會(huì)觸發(fā)一次PendSV中斷，進(jìn)行上下文切換。我們重點(diǎn)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(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)調(diào)用API函數(shù)vTaskSuspendAll()掛起調(diào)度器時(shí)，會(huì)將變量uxSchedulerSuspended增1。

所以變量uxSchedulerSuspended為真時(shí)，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(dòng)調(diào)度器時(shí)被清零，在每次系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘發(fā)生中斷后加1，用來記錄系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘中斷的次數(shù)。

內(nèi)核會(huì)將所有阻塞的任務(wù)跟這個(gè)變量比較，以判斷是否超時(shí)（超時(shí)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(guān)，32位架構(gòu)硬件一般是無符號(hào)32位變量、8位或16位架構(gòu)一般是無符號(hào)16位變量。

即便是32位變量，xTickCount累加到0xFFFFFFFF后也會(huì)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(shí)列表指針和溢出延時(shí)列表指針。

這個(gè)牽扯的有點(diǎn)廣，我們慢慢說明。

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

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

順便說一下，上面的兩個(gè)延時(shí)列表指針變量和兩個(gè)延時(shí)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(shí)函數(shù)vTaskDelay(?xTicksToDelay?)將任務(wù)延時(shí)xTicksToDelay個(gè)系統(tǒng)節(jié)拍周期，延時(shí)函數(shù)會(huì)以當(dāng)前的系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)xTickCount為參考，這個(gè)值加上參數(shù)規(guī)定的延時(shí)時(shí)間xTicksToDelay，即xTickCount xTicksToDelay，就是下次喚醒任務(wù)的時(shí)間。

xTickCount xTicksToDelay會(huì)被記錄到任務(wù)TCB中，隨著任務(wù)一起掛接到延時(shí)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(dāng)前任務(wù)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(wù)按照延時(shí)時(shí)間，順序的插入到延時(shí)列表中。

所以當(dāng)系統(tǒng)節(jié)拍中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器xTickCount溢出時(shí)，必須將延時(shí)列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時(shí)列表指針pxOverflowDelayedTaskList交換以便正確處理延時(shí)的任務(wù)。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(shí)列表指針pxDelayedTaskList和溢出延時(shí)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(shí)間，這個(gè)時(shí)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(shí)列表任務(wù)是否到期時(shí)，會(huì)用到這個(gè)變量。

接下來函數(shù)會(huì)檢查延時(shí)列表，查看延時(shí)的任務(wù)是否到期。

前面我們說過，延時(shí)的任務(wù)根據(jù)延時(shí)時(shí)間先后，順序的插入到延時(shí)列表中，延時(shí)時(shí)間短的在前，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)的在后，并且下一個(gè)要被喚醒任務(wù)的時(shí)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(wù)可以被喚醒。

if(?xConstTickCount?>=xNextTaskUnblockTime?)
{
???/*?延時(shí)的任務(wù)到期，需要被喚醒?*/
}
如果任務(wù)被喚醒，則將任務(wù)從延時(shí)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(wù)優(yōu)先級(jí)大于當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)，則會(huì)觸發(fā)一次上下文切換。

FreeRTOS支持多個(gè)任務(wù)共享同一個(gè)優(yōu)先級(jí)，如果設(shè)置為搶占式調(diào)度（宏configUSE_PREEMPTION設(shè)置為1）并且宏configUSE_TIME_SLICING也為1（或未定義），則相同優(yōu)先級(jí)的多個(gè)任務(wù)間進(jìn)行任務(wù)切換。

最后還會(huì)調(diào)用時(shí)間片鉤子函數(shù)vApplicationTickHook()。可以看到時(shí)間片鉤子函數(shù)是在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用的，所以這個(gè)鉤子函數(shù)必須簡(jiǎn)潔、不可以調(diào)用不帶中斷保護(hù)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(wù)會(huì)一直繼續(xù)執(zhí)行，內(nèi)核不再調(diào)度（意味著當(dāng)前任務(wù)不會(huì)被切換出去），直到該任務(wù)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(dāng)調(diào)用恢復(fù)調(diào)度器函數(shù)xTaskResumeAll()時(shí)，會(huì)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(dòng)任務(wù)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(wù)的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，則會(huì)觸發(fā)一次PendSV中斷，進(jìn)行上下文切換”，現(xiàn)在如果變量xYieldPending為真，則返回值也會(huì)為真，函數(shù)結(jié)束后會(huì)進(jìn)行上下文切換。

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

if(?xYieldPending?!=?pdFALSE?)
{
????xSwitchRequired?=?pdTRUE;
}
帶中斷保護(hù)的API函數(shù)，都會(huì)有一個(gè)參數(shù)pxHigherPriorityTaskWoken。

如果API函數(shù)導(dǎo)致一個(gè)任務(wù)解鎖，并且解鎖的任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)，則API函數(shù)將*pxHigherPriorityTaskWoken設(shè)置成pdTRUE。

在中斷退出前，老版本的FreeRTOS需要手動(dòng)觸發(fā)一次任務(wù)切換。

比如在《?FreeRTOS系列第15篇---使用任務(wù)通知實(shí)現(xiàn)命令行解釋器》一文中，我們?cè)诖诮邮罩袛嘀姓{(diào)用了帶中斷保護(hù)的API函數(shù)vTaskNotifyGiveFromISR()，在函數(shù)執(zhí)行完后，會(huì)使用代碼portYIELD_FROM_ISR(xHigherPriorityTaskWoken)判斷參數(shù)xHigherPriorityTaskWoken是否為真，為真則手動(dòng)強(qiáng)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(wù)發(fā)送通知*/?
vTaskNotifyGiveFromISR(xCmdAnalyzeHandle,