FreeRTOS系列第22篇---FreeRTOS任務(wù)切換分析

FreeRTOS任務(wù)相關(guān)的代碼大約占總代碼的一半左右，這些代碼都在為一件事情而努力，即找到優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，并使之獲得CPU運行權(quán)。

任務(wù)切換是這一過程的直接實施者，為了更快的找到優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)，任務(wù)切換的代碼通常都是精心設(shè)計的，甚至?xí)玫絽R編指令或者與硬件相關(guān)的特性，比如Cortex-M3的CLZ指令。

因此任務(wù)切換的大部分代碼是由硬件移植層提供的，不同的平臺，實現(xiàn)發(fā)方法也可能不同。

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這篇文章以Cortex-M3為例，講述FreeRTOS任務(wù)切換的過程。

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「FreeRTOS有兩種方法觸發(fā)任務(wù)切換：」

• 執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，比如普通任務(wù)可以使用taskYIELD()強制任務(wù)切換，中斷服務(wù)程序中使用portYIELD_FROM_ISR()強制任務(wù)切換；
• 系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷

對于Cortex-M3平臺，這兩種方法的實質(zhì)是一樣的，都會使能一個PendSV中斷，在PendSV中斷服務(wù)程序中，找到最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)，然后讓這個任務(wù)獲得CPU運行權(quán)，從而完成任務(wù)切換。

對于第一種任務(wù)切換方法，不管是使用taskYIELD()還是portYIELD_FROM_ISR()，最終都會執(zhí)行宏portYIELD()，這個宏的定義如下：

#define portYIELD()      \
{        \
 /*產(chǎn)生PendSV中斷*/                          \
 portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;  \
}

對于第二種任務(wù)切換方法，在系統(tǒng)節(jié)拍時鐘中斷服務(wù)函數(shù)中，首先會更新tick計數(shù)器的值、查看是否有任務(wù)解除阻塞，如果有任務(wù)解除阻塞的話，則使能PandSV中斷，代碼如下所示：

void xPortSysTickHandler( void )
{
 /* 設(shè)置中斷掩碼 */
 vPortRaiseBASEPRI();
 {
  /* 增加tick計數(shù)器值，并檢查是否有任務(wù)解除阻塞 */
  if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
  {
   /* 需要任務(wù)切換。產(chǎn)生PendSV中斷 */
   portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
  }
 }
 vPortClearBASEPRIFromISR();
}

從上面的代碼中可以看出，PendSV中斷的產(chǎn)生是通過代碼：

portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT

實現(xiàn)的，它向中斷狀態(tài)寄存器bit28位寫入1，將PendSV中斷設(shè)置為掛起狀態(tài);

等到優(yōu)先級高于PendSV的中斷執(zhí)行完成后，PendSV中斷服務(wù)程序?qū)⒈粓?zhí)行，進行任務(wù)切換工作。

Cortex-M3架構(gòu)下，PendSV中斷服務(wù)程序源碼如下所示，這篇文章重點分析這段代碼。

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
 extern uxCriticalNesting;
 extern pxCurrentTCB;            /* 指向當(dāng)前激活的任務(wù) */
 extern vTaskSwitchContext;      
 
 PRESERVE8
 
 mrs r0, psp                   /* PSP內(nèi)容存入R0 */    
 isb                           /* 指令同步隔離,清流水線 */
 
 ldr r3, =pxCurrentTCB     /* 當(dāng)前激活的任務(wù)TCB指針存入R2 */
 ldr r2, [r3]
 
 stmdb r0!, {r4-r11}          /* 保存剩余的寄存器,異常處理程序執(zhí)行前,硬件自動將xPSR、PC、LR、R12、R0-R3入棧 */
 str r0, [r2]       /* 將新的棧頂保存到任務(wù)TCB的第一個成員中 */
 
 stmdb sp!, {r3, r14}         /* 將R3和R14臨時壓入堆棧，因為即將調(diào)用函數(shù)vTaskSwitchContext,調(diào)用函數(shù)時,返回地址自動保存到R14中,所以一旦調(diào)用發(fā)生,R14的值會被覆蓋,因此需要入棧保護; R3保存的當(dāng)前激活的任務(wù)TCB指針(pxCurrentTCB)地址,函數(shù)調(diào)用后會用到,因此也要入棧保護*/
 mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   /* 進入臨界區(qū) */
 msr basepri, r0
 dsb                         /* 數(shù)據(jù)和指令同步隔離 */
 isb
 bl vTaskSwitchContext        /* 調(diào)用函數(shù),尋找新的任務(wù)運行,通過使變量pxCurrentTCB指向新的任務(wù)來實現(xiàn)任務(wù)切換 */
 mov r0, #0                   /* 退出臨界區(qū)*/
 msr basepri, r0
 ldmia sp!, {r3, r14}         /* 恢復(fù)R3和R14*/
 
 ldr r1, [r3]
 ldr r0, [r1]       /* 當(dāng)前激活的任務(wù)TCB第一項保存了任務(wù)堆棧的棧頂,現(xiàn)在棧頂值存入R0*/
 ldmia r0!, {r4-r11}      /* 出棧*/
 msr psp, r0
 isb
 bx r14                      /* 異常發(fā)生時,R14中保存異常返回標志,包括返回后進入線程模式還是處理器模式、使用PSP堆棧指針還是MSP堆棧指針，當(dāng)調(diào)用 bx r14指令后，硬件會知道要從異常返回，然后出棧，這個時候堆棧指針PSP已經(jīng)指向了新任務(wù)堆棧的正確位置，當(dāng)新任務(wù)的運行地址被出棧到PC寄存器后，新的任務(wù)也會被執(zhí)行。*/
 nop
}

為了便于理解上面的代碼，我們先用流程圖的方式將整個過程畫出來，然后再逐句分析代碼。因為圖形可以簡化程序，并且信息更容易接受。

先強調(diào)圖1-1中的幾個術(shù)語，首先是“主堆棧指針MSP”和“進程堆棧指針PSP”。

對于Cortex-M3硬件，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，默認使用MSP指針。

MSP指針用于操作系統(tǒng)內(nèi)核以及處理異常（也就是說中斷服務(wù)程序中默認強制使用MSP指針，這是硬件自動設(shè)置的）。

任務(wù)（進程）使用PSP指針，操作系統(tǒng)負責(zé)從MSP指針切換到PSP指針。

這個過程在《FreeRTOS高級篇3---啟動調(diào)度器》一文的最后部分中「進行了講解」：

在SVC中斷服務(wù)程序中啟動第一個任務(wù)，當(dāng)從SVC中斷服務(wù)退出前，通過向r14寄存器最后4位按位或上0x0D，使得硬件在退出時使用進程堆棧指針PSP完成出棧操作并返回后進入線程模式、返回Thumb狀態(tài)。

其次，“堆棧”和“任務(wù)堆棧”也值得強調(diào)一下。

每個任務(wù)都有自己的“任務(wù)堆棧”，在任務(wù)創(chuàng)建時會創(chuàng)建指定大小的任務(wù)堆棧，這是任務(wù)能夠獨立運行的前提條件之一。

在任務(wù)中定義的局部變量，會優(yōu)先使用寄存器，寄存器不夠時就使用任務(wù)堆棧的空間。

如果在任務(wù)中調(diào)用其它函數(shù)，則調(diào)用前的保存信息也存到任務(wù)堆棧中去。

根據(jù)任務(wù)代碼來估算任務(wù)堆棧的大小是件十分重要的技能。

前面也說了，Cortex-M3硬件有兩個堆棧指針，操作系統(tǒng)內(nèi)核以及異常處理程序中使用MSP指針，所以它們也需要一個堆棧空間，我們稱之為“堆棧”；

這個堆棧空間和任務(wù)堆棧空間在物理上是絕對不可以重疊的，圖1-2展示了一個編譯好的程序可能的RAM分配情況（堆棧向下生長）。

有了上面的基礎(chǔ),接下來我們來分析PendSV中斷服務(wù)程序。

mrs r0, psp 

是將任務(wù)堆棧指針PSP的值保存到寄存器R0中，因為接下來我們會將寄存器R4~R11也保存到任務(wù)堆棧中，但是我們沒有哪個匯編指令能直接操作PSP完成入棧，所以只能借助R0。

ldr r3, =pxCurrentTCB      /* 當(dāng)前激活的任務(wù)TCB指針存入R2 */
ldr r2, [r3]

這兩句代碼是獲取當(dāng)前激活的任務(wù)TCP指針，指針pxCurrentTCB前面文章已經(jīng)提到過很多次了，它是位于tasks.c文件中定義的唯一一個全局指針型變量，指向當(dāng)前激活的任務(wù)TCB。

stmdb r0!, {r4-r11}

這句代碼用于將寄存器R4~R11保存到當(dāng)前激活的程序任務(wù)堆棧中，并且同步更新寄存器R0的值。

str r0, [r2]

寄存器R2中保存當(dāng)前激活的任務(wù)TCB指針，在《FreeRTOS高級篇2---FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建分析》中講任務(wù)TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時我們知道，任務(wù)TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第一個成員一定是指向任務(wù)當(dāng)前堆棧棧頂?shù)闹羔樧兞?code style="overflow-wrap: break-word;margin-right: 2px;margin-left: 2px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(53, 148, 247);background: rgba(59, 170, 250, 0.1);display: inline-block;padding-right: 2px;padding-left: 2px;border-radius: 2px;height: 21px;line-height: 22px;">pxTopOfStack。

這句代碼將R0的內(nèi)容保存到任務(wù)TCB數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的第一個成員pxTopOfStack中，也就是將最新的任務(wù)堆棧指針保存到任務(wù)TCB的pxTopOfStack字段中。

當(dāng)任務(wù)被激活時，就是從這個字段中獲取任務(wù)堆棧指針，然后完成數(shù)據(jù)出棧操作的。

stmdb sp!, {r3, r14}

將R3和R14臨時壓入堆棧，因為即將調(diào)用函數(shù)vTaskSwitchContext。調(diào)用函數(shù)時，返回地址自動保存到R14中，所以一旦調(diào)用發(fā)生，R14的值會被覆蓋，因此需要入棧保護。

R3保存的當(dāng)前激活的任務(wù)TCB指針(pxCurrentTCB)地址，函數(shù)調(diào)用后會用到，因此也要入棧保護。

mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   
msr basepri, r0

這兩句代碼用來進入臨界區(qū)，中斷優(yōu)先級號大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中斷都會被屏蔽。

bl vTaskSwitchContext

調(diào)用函數(shù)，選擇下一個要執(zhí)行的任務(wù)，也就是尋找處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務(wù)。

變量pxCurrentTCB指向找到的任務(wù)TCB。這個函數(shù)是核心中的核心，所有的其它代碼都是為了保證這個函數(shù)能正確運行。

某些運行FreeRTOS的硬件有兩種方法：「通用方法和特定于硬件的方法」（以下簡稱“特殊方法”）。

1. 對于通用方法：

• configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設(shè)置為0或者硬件不支持這種特殊方法。
• 可以用于所有FreeRTOS支持的硬件。
• 完全用C實現(xiàn)，效率略低于特殊方法。
• 不強制要求限制最大可用優(yōu)先級數(shù)目

2. 對于特殊方法：

• 并非所有硬件都支持。
• 必須將configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION設(shè)置為1。
• 依賴一個或多個特定架構(gòu)的匯編指令（一般是類似計算前導(dǎo)零[CLZ]指令）。
• 比通用方法更高效。
• 一般強制限定最大可用優(yōu)先級數(shù)目為32（0~31）。

Cortex-M3即支持通用方法也支持特殊方法，默認的移植層使用特殊方法。我們先來看一下通用方法如何找到下一個要執(zhí)行的任務(wù)。

在函數(shù)vTaskSwitchContext中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()完成任務(wù)尋址工作，使用通用方法時，這個宏的代碼如下所示。

pxReadyTasksLists是定義在tasks.c中的靜態(tài)列表數(shù)組，表示就緒任務(wù)列表數(shù)組。

在《FreeRTOS高級篇2---FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建分析》中講過這個變量：新創(chuàng)建任務(wù)的過程中，任務(wù)TCB中的狀態(tài)列表項xStateListItem會掛接到就緒任務(wù)列表數(shù)組中。

uxTopReadyPriority也是定義在tasks.c中的靜態(tài)變量，在此之前，它已經(jīng)代表處于就緒態(tài)任務(wù)的最高優(yōu)先級值；

在FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建與分析一文中，我們也講到了這個變量：每次任務(wù)創(chuàng)建，都會判斷新任務(wù)的優(yōu)先級是否大于這個變量，如果大于，還會更新這個變量的值。

while()循環(huán)從優(yōu)先級uxTopReadyPriority開始，從就緒列表數(shù)組pxReadyTasksLists中找出優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后調(diào)用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY獲取最高優(yōu)先級列表中的下一個列表項，并從該列表項中獲取任務(wù)TCB指針賦給變量pxCurrentTCB。

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()        \
{                 \
  /* 從就緒列表數(shù)組中找出最高優(yōu)先級列表*/    \
  while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ) )  \
  {                \
    configASSERT( uxTopReadyPriority );        \
    --uxTopReadyPriority;           \
  }                \
                                  \
  /* 相同優(yōu)先級的任務(wù)使用時間片共享處理器就是通過這個宏實現(xiàn)*/   \
  listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) );   \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

對于Cortex-M3硬件，還支持特殊方法選擇下一個要執(zhí)行的任務(wù)，那就是利用硬件提供的計算前導(dǎo)零指令CLZ。

特殊方法時，宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()的代碼如下所示。

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()        \
{                 \
UBaseType_t uxTopPriority;            \
                                  \
  /* 從就緒列表數(shù)組中找出最高優(yōu)先級列表*/              \
  portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );   \
  listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

與通用方法相比，可以發(fā)現(xiàn)從就緒列表數(shù)組中找出最高優(yōu)先級列表代碼不同了，特殊方法使用宏portGET_HIGHEST_PRIORITY來實現(xiàn)，將宏定義替換后，代碼為：

uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( (uxTopReadyPriority) ) )

在此之前，靜態(tài)變量uxTopReadyPriority同樣已經(jīng)包含處于就緒態(tài)任務(wù)的最高優(yōu)先級的信息。

與通用方法中使用任務(wù)優(yōu)先級數(shù)值不同，在特殊方法中，uxTopReadyPriority使用每一位來表示任務(wù)，比如變量uxTopReadyPriority的bit0為1，則表示存在優(yōu)先級為0的就緒任務(wù)，bit10為1則表示存在優(yōu)先級為10的就緒任務(wù)。

由于32位整形數(shù)最多只有32位，因此使用這種特殊方法限定最大可用優(yōu)先級數(shù)目為32，即優(yōu)先級0~31。

我們這來看看__clz( (uxTopReadyPriority)是什么意思，__clz()會被匯編指令CLZ替換掉，這個指令用來計算一個變量從最高位開始的連續(xù)零的個數(shù)。

舉個例子，假如變量uxTopReadyPriority為0x09（二進制為：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001），即bit3和bit0為1，表示存在優(yōu)先級為0和3的就緒任務(wù)。

則__clz( (uxTopReadyPriority)的值為28，uxTopPriority =31-28=3，即優(yōu)先級為3的任務(wù)是就緒態(tài)最高優(yōu)先級任務(wù)。

下面的代碼跟通用方法一樣，調(diào)用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY獲取最高優(yōu)先級列表中的下一個列表項，并從該列表項中獲取任務(wù)TCB指針賦給變量pxCurrentTCB。

mov r0, #0                   /* 退出臨界區(qū)*/
msr basepri, r0

這兩句代碼用來退出臨界區(qū)，通過向寄存器BASEPRI寫入數(shù)值0來實現(xiàn)。

ldmia sp!, {r3, r14}

這句代碼將寄存器R3和R14從堆棧中恢復(fù)，現(xiàn)在R3保存變量pxCurrentTCB的地址;

「需要注意的是」，變量pxCurrentTCB在函數(shù)vTaskSwitchContext中可能已被修改，指向新的最高優(yōu)先級就緒任務(wù)；R14保存退出異常需要的信息。

ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]

這兩句代碼獲取變量pxCurrentTCB指向的任務(wù)TCB指針，并將TCB的第一個成員——當(dāng)前堆棧棧頂?shù)闹羔樧兞?code style="overflow-wrap: break-word;margin-right: 2px;margin-left: 2px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(53, 148, 247);background: rgba(59, 170, 250, 0.1);display: inline-block;padding-right: 2px;padding-left: 2px;border-radius: 2px;height: 21px;line-height: 22px;">pxTopOfStack的值保存到寄存器R0中，也就是將即將運行的任務(wù)堆棧棧頂值存入R0。

ldmia r0!, {r4-r11}

將寄存器R4~R11出棧，并同時更新R0的值。

msr psp, r0

將最新的任務(wù)堆棧棧頂賦值給線程堆棧指針PSP。

bx r14

從異常中斷服務(wù)程序退出。異常發(fā)生時，R14中保存異常返回標志，包括返回后進入線程模式還是處理器模式、使用PSP堆棧指針還是MSP堆棧指針。

當(dāng)調(diào)用 bx r14指令后，硬件會知道要從異常返回，然后出棧，這個時候堆棧指針PSP已經(jīng)指向了新任務(wù)堆棧的正確位置，當(dāng)新任務(wù)的運行地址被出棧到PC寄存器后，新的任務(wù)也會被執(zhí)行。

至此，任務(wù)切換完成。