FreeRTOS学习笔记（五）任务进阶篇

前言

  本节内容主要是对基础篇的补充，大部分内容是对vTaskStartScheduler()的各种函数底层的探究，如果不深入了解的朋友可以跳过了，这些寄存器或者底层函数通常情况freertos会自动帮我们调整或者调度。

一、列表和列表项

  在 FreeRTOS 中，列表（List） 和 列表项（List Item） 是用于链表管理的两个核心概念，它们负责调度任务、管理延迟任务等。列表是容器，用来存储多个列表项，而列表项表示任务或其他内核对象，通过链表的结构被链接到列表中。当调度器需要调度任务时，它会遍历就绪任务列表，通过链表项来找到下一个要执行的任务。实际上，FreeRTOS 中的列表是由链表构成的“双向链表”形式，而列表项也就是链表的节点。

1.1 xList 和 xLIST_ITEM

  列表（List）是 FreeRTOS 中的链表结构，用来管理任务或其他内核对象的集合。它包含多个xLIST_ITEM，即列表项。通过链表的结构，FreeRTOS 可以高效地管理和调度任务。xList 结构体定义如下所示：

struct xLIST
{volatile UBaseType_t uxNumberOfItems;    // 列表中当前的项目数ListItem_t *pxIndex;                     // 当前列表项的指针，用于遍历列表ListItem_t xListEnd;                     // 作为链表的末端标志，不存储实际任务
};
typedef struct xLIST List_t;

• uxNumberOfItems：存储当前列表中的项目数量。
• pxIndex：用于指向链表中的当前元素，调度器在遍历链表时使用它。
• xListEnd：这是链表的末端标志节点，它并不存储实际任务，而是作为链表结束的标记。它的值通常被设置为极大值，以确保任何插入的节点都在它之前。

  xList_Item 是用于链表管理的一个节点（列表项）结构体，它是任务和其他内核对象（如队列、信号量等）在链表中存储时使用的基础数据结构。通过链表机制，xList_Item将各个任务或内核对象关联到相应的任务状态链表中（如就绪链表、延迟链表等）。在 FreeRTOS 的 list.h 文件中，xList_Item 结构体定义如下：

struct xLIST_ITEM
{TickType_t xItemValue;               // 用于排序的值，通常是时间戳或优先级struct xLIST_ITEM *pxNext;           // 指向链表中下一个节点的指针struct xLIST_ITEM *pxPrevious;       // 指向链表中前一个节点的指针void *pvOwner;                       // 指向该项所属对象（如任务、队列、信号量等）void *pvContainer;                   // 指向包含该项的链表
};
typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t;

• xItemValue：这是该节点的值，通常用于排序。例如，当任务处于延迟状态时，xItemValue 可能表示任务可以被唤醒的时间戳；在就绪列表中，xItemValue 则可能与任务的优先级相关。
• pxNext：指向下一个链表节点的指针。链表的下一项是基于该指针来确定的。
• pxPrevious：指向前一个链表节点的指针。通过它可以从当前节点回到前一个节点。
• pvOwner：该指针指向这个链表项的拥有者，通常是指向任务控制块（TCB）的指针。通过它可以找到对应的任务或其他内核对象。
• pvContainer：指向包含该节点的链表，这个指针表明该节点属于哪个链表结构。

  minixLIST_ITEM 是一种简化版的列表项结构体。与 xListItem 类似，minixLIST_ITEM 也是用于链表中的节点结构，只不过它的功能更简单，主要用于某些不需要完整列表管理功能的地方，通常用于内核级的优化。与 xListItem相比minixLIST_ITEM 没有 pvOwner 和 pvContainer 成员，因为它不需要知道链表项所属的任务控制块（TCB）或容器链表。这使得 minixLIST_ITEM 更加轻量，适用于不需要关联任务或特定对象的场景。xListItem 则是功能更全的链表节点，适合于任务调度、状态管理等场景。在 list.h 文件中，minixLIST_ITEM 结构体被定义为：

// 常用于列表末尾
struct xMINI_LIST_ITEM
{TickType_t xItemValue;                   // 用于排序或比较的值struct xLIST_ITEM *pxNext;               // 指向下一个列表项的指针struct xLIST_ITEM *pxPrevious;           // 指向前一个列表项的指针
};
typedef struct xMINI_LIST_ITEM MiniListItem_t;

1.2 相关API函数

1.3 任务就绪列表

  在 FreeRTOS 中，任务就绪列表（Ready List）是用于管理所有处于“就绪”状态的任务，即那些已准备好运行且可以被调度器选择的任务。根据优先级的不同，每个任务都被存放在与其优先级相对应的就绪列表中。当任务处于“就绪”状态时，FreeRTOS 调度器会根据优先级在这些列表中选择最合适的任务进行执行。每个就绪列表本质上是一个链表，其中每个节点是 ListItem_t 结构体。每个节点与任务的 TCB（任务控制块）相关联，记录了任务的优先级、状态等信息。调度器通过这些链表项来管理任务的状态。这里需要知道几个数据结构：

• xReadyTasksLists[ ]：存储多个就绪列表的数组，数组的每一项对应一个优先级的就绪任务列表。
• xTasksWaitingTermination：管理处于终止状态的任务列表。
• pxDelayedTaskList 和 pxOverflowDelayedTaskList：延迟任务列表，用于管理那些暂时不能运行的任务。

二、任务调度器的启动过程

  在基础篇，我们提到使用vTaskStartScheduler( )进行任务调度器的启动，这是因为vTaskStartScheduler() 是用于启动调度器的标准接口，它已经封装了调度器启动过程中所有需要的操作，包括调用 prvStartFirstTask() 启动第一个任务。

2.1 PendSV 和 SysTick 寄存器

  在前章中断管理的内容中，我们介绍过了这两个寄存器，他们主要是用来在任务切换和系统计时。在实际启动 FreeRTOS 任务调度器时，FreeRTOS 帮我们配置了 PendSV 和 SysTick 寄存器，这里我们可以简单了解一下：

• PendSV 寄存器
  • 作用：PendSV 是 ARM Cortex-M 系列处理器中的一个系统中断，用于触发上下文切换。FreeRTOS 通过 PendSV 实现任务切换。当需要切换任务时，FreeRTOS 会将 PendSV 设置为挂起状态，然后在下一个合适的时间（例如，任务进入阻塞状态或时间片结束时），触发 PendSV 中断来执行任务切换。
  • 配置：FreeRTOS 的移植代码会自动配置 PendSV 中断优先级，你不需要手动修改该部分内容。调度器调用 portYIELD() 或者在 ISR 中通过 portYIELD_FROM_ISR() 来触发 PendSV 中断。
• SysTick 寄存器
  • 作用：SysTick 是一个周期性定时器，用于生成 FreeRTOS 的系统节拍（tick）。每次 SysTick 中断发生时，FreeRTOS 会更新系统时钟，并检查是否需要执行任务调度。SysTick 的频率决定了任务切换和延迟任务的时间粒度，通常设置为 1 ms 或其他合适的周期。
  • 配置：在 xPortStartScheduler() 函数中，FreeRTOS 会配置 SysTick 定时器。你需要确保系统的时钟频率已正确设置，以便产生合适的 tick 频率。通常，移植层会根据你的系统时钟自动配置 SysTick 定时器的值。

2.2 prvStartFirstTask( )

  prvStartFirstTask( )是 FreeRTOS 内部的一个函数，它负责初始化启动前第一个任务的环境，主要是重新设置MSP指针。那么什么是MSP指针呢？程序在运行的过程中需要一定的栈空间来保存局部的一些信息，内核提供了两个栈空间：主堆栈指针(MSP，由os内核、异常服务例程及所需要特权访问的应用程序来使用)、进程堆栈指针(PSP，用于常规应用代码)。在FreeRtos中，中断内使用MSP，中断以外使用PSP。
  prvStartFirstTask( )在这个过程中主要确保第一个任务的上下文被正确加载到 CPU 并开始调度。实际上，在启动第一个任务之前，系统一般处于 “任务未调度” 状态，prvStartFirstTask( )开启调度后，系统开始按照调度算法执行任务。这是一个非常底层的函数，它通常由 xPortStartScheduler( )调用，而xPortStartScheduler( )是启动调度器的特定于硬件的实现部分。

2.3 xPortStartScheduler( )

  xPortStartScheduler( )是 FreeRTOS 中一个重要的函数，用于启动任务调度器。它是 FreeRTOS 内核的核心部分之一，负责开始任务的调度和管理。在启动任务调度器之前，xPortStartScheduler() 通常会进行一些硬件初始化，例如配置定时器中断，以便 FreeRTOS 可以进行时间切片和任务调度。之后它会启用调度器，使得 FreeRTOS 的任务管理功能开始运行，并根据任务的优先级和状态，决定哪个任务应该运行。一旦调度器启动，系统将进入任务调度模式，开始按照任务的优先级执行各个任务。值得一提的是，vTaskStartScheduler( )是 xPortStartScheduler( )的实际实现，通常情况下我们不直接使用xPortStartScheduler( )函数，而统一使用vTaskStartScheduler( ) 。
  除此之外，xPortStartScheduler( )工作流程大致为：

1. 初始化堆栈和任务：在调用 xPortStartScheduler() 之前，系统中的任务和堆栈已经被初始化。此函数的调用标志着任务调度的开始。
2. 配置系统定时器：FreeRTOS 使用系统定时器进行时间片轮转和任务调度。xPortStartScheduler() 将配置并启用该定时器。
3. 开始调度：调度器启动后，它会根据任务的优先级和状态，决定当前哪个任务应该运行。
4. 调度循环：调度器将不断地在任务之间进行切换，直到系统重置或调度器被停止。

2.4 vTaskStartScheduler( ) 的整体流程

  可以说vTaskStartScheduler( ) 包含了任务启动的所有工作，我们可以通过直接调用 vTaskStartScheduler() 启动调度器，之后不需要额外考虑底层的就绪列表、中断处理、任务切换等细节。具体来说一旦你调用了 vTaskStartScheduler()，FreeRTOS 的调度器就会开始运行，它会自动从优先级最高的就绪任务列表中选择任务执行，这意味着你不需要显式地去管理任务的切换或就绪列表。如果两个任务的优先级不同，FreeRTOS 将始终选择优先级高的任务运行。当高优先级任务进入阻塞状态（比如等待事件、延迟等），才会调度低优先级任务。如果任务具有相同的优先级，调度器会通过时间片轮转的方式切换任务。除此之外，vTaskStartScheduler( )会自动配置和启动系统时钟（SysTick）中断以及 PendSV 中断，这些负责触发任务切换。当任务切换发生时，FreeRTOS 会保存当前任务的上下文，并切换到下一个任务，着意味着你不需要手动处理中断。最后，当任务从创建状态变为就绪状态，或者从阻塞状态重新进入就绪状态时，FreeRTOS 内核会自动更新任务的状态并自动将其插入或移除就绪列表。

1. 初始化内核数据结构：就绪列表、延迟列表、空闲任务钩子等；
2. 创建空闲任务：prvIdleTask( )；
3. (可选)如启用了软件定时器，创建定时器服务任务xTimerCreateTimerTask( )；
4. 检查系统是否至少有一个任务可以运行；
5. 配置系统节拍定时器：vPortSetupTimerInterrupt( )配置 SysTick 定时器；
6. (可选)若需要进行浮点运算，使能浮点运算单元(FPU)，并配置FPCCR（浮点运算上下文控制寄存器）；
7. 启动调度器：xPortStartScheduler( )自动调用prvStartFirstTask( )开启第一个任务；

三、任务切换

3.1基于 SysTick 中断的自动任务切换

3.1.1 延时函数和上下文切换

  在基础篇，我们提到可以利用主动进入延时状态进入任务切换，那么这是为什么呢？实际上，延时函数会让当前任务进入阻塞状态，意味着该任务将不会再参与 CPU 的调度，直到设定的延时时间结束。通过调用 vTaskDelay()，任务会主动放弃 CPU 的使用权，允许调度器选择其他任务执行。FreeRTOS 调度器会在系统下一个时钟节拍（tick）触发时运行，查看是否有其他任务就绪。如果有，调度器会切换到下一个任务，从而实现上下文切换。而切换工作的实现流程其实与前文提到的PendSV有关。

3.1.2 PendSV 的作用

  之前提到过，PendSV是 ARM Cortex-M 系列处理器中专门用于任务上下文切换的中断，由于其可以被调度器异步触发，因此它可以等待处理器处理完高优先级的中断后再执行。故而我们通常将它的优先级设置为最低，以免打断其他中断的执行。当 FreeRTOS 的调度器判断需要切换任务时（如当前任务进入阻塞状态、延时时间到、或有高优先级任务就绪等情况），会决定要触发任务上下文切换。在任务切换时，调度器只会触发 PendSV 中断，实际的上下文切换操作（保存和恢复任务寄存器、切换栈指针等）则是在 PendSV 中断处理程序中完成的。
  其实简单来说，PendSV的触发流程有以下两种可能：

• （自动）滴答定时器定期中断 -> 进行调度器检查 -> 需要进行上下文切换 -> 触发PendSV 中断
• （手动）利用类似portYIELD()的API函数直接修改 ICSR 寄存器中的 PendSVSet 位SCB->ICSR = SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk

3.1.3 整体流程总结（自动）

1. 延时函数的调用（如 vTaskDelay()）：延时任务主动放弃 CPU 控制权，并进入阻塞状态。
2. 滴答定时器 SysTick：SysTick 产生系统节拍中断，定期更新任务的状态。
3. 调度器检查：在 SysTick 中断中，调度器检查是否有任务需要切换，是否有延时到期的任务。
4. 触发 PendSV：如果需要切换任务，调度器触发 PendSV 中断。
5. 上下文切换：PendSV 中断处理程序执行实际的任务上下文切换，保存当前任务状态，恢复下一个任务状态。

3.2 基于外部中断的任务切换

  利用中断进行任务切换是一种通过硬件中断机制和RTOS调度器来强制任务切换的方式，这种方式通常用于响应外部事件，比如按键中断、通信中断等。

3.2.1 外部中断触发任务切换的步骤

1. 外部中断发生：当某个外部事件（如按钮按下或数据到达）触发外部中断时，中断服务例程会被调用。
2. 在中断中唤醒阻塞任务：如果某个任务因为等待某个外部事件（如数据输入）而进入阻塞状态，当外部中断发生时，任务可以从阻塞状态恢复到就绪状态。FreeRTOS 提供了一些API函数（例如，xTaskNotifyFromISR() 或 xQueueSendFromISR() ），可以在中断中调用这些函数来唤醒任务。
3. 触发任务切换：在中断服务例程中，如果唤醒了更高优先级的任务，可以调用任务切换请求函数，比如 portYIELD_FROM_ISR() 来触发上下文切换，这会请求调度器在中断结束后执行任务切换。

3.2.2 portYIELD_FROM_ISR( )

  portYIELD_FROM_ISR() 的原理和 portYIELD( ) 类似，它用于在中断结束时请求任务切换，都是通过触发 PendSV 中断来进行任务上下文切换的。

#define portYIELD_FROM_ISR(x) if (x) SCB->ICSR = SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk

四、时间片调度

  时间片调度（Round Robin Scheduling）是一种常见的任务调度算法，特别适合用于多任务操作系统（如 FreeRTOS）中，它的目标是为每个任务分配平等的 CPU 时间，让多个任务能够“轮流”执行。这里需要知道时间片的基本概念：每个任务被分配固定时长的 CPU 运行时间（可设置）。任务只能在时间片内运行，超过时间片后，系统强制切换到下一个任务。

4.1 时间片的基本特点

  时间片调度算法非常简单，易于实现，尤其适合实时操作系统中。它的核心特性是公平，它确保每个任务都有机会获得 CPU 资源，不会因为某个任务长时间运行而饿死其他任务。除此之外，还有以下的基本特性：

• 抢占式：时间片调度通常是抢占式的，这意味着即使任务没有运行完，系统也会强制中断任务，切换到下一个任务。
• 任务切换：任务切换的实现通过计时器（如 SysTick 定时器）触发中断，在中断中保存当前任务的上下文，并恢复下一个任
• 效率问题：如果任务切换频繁，会增加上下文切换的开销，尤其是当任务数量较多时，频繁的任务切换会导致性能下降。
• 不适合长时间任务：对于执行时间较长的任务，时间片调度可能无法有效处理，可能导致整体系统效率降低。

4.2 时间片调度的基本原理

  在 FreeRTOS 等实时操作系统中，时间片调度是基本的调度机制之一，特别是当多个同优先级任务同时就绪时，调度器会以时间片的方式公平地分配 CPU 资源。FreeRTOS 的调度器可以根据时间片进行切换，借助系统滴答定时器（SysTick），实现定时中断。每当时间片到期时，系统会触发 PendSV 中断进行上下文切换，从而完成任务之间的切换。时间片的长度（即任务能够运行的时间）是由系统时钟频率和滴答频率（tick rate）共同决定的，由 configTICK_RATE_HZ 来控制。configTICK_RATE_HZ 是 FreeRTOS 的一个配置宏，定义了每秒钟产生的滴答中断次数，也就是任务调度器的频率。例如，如果 configTICK_RATE_HZ 被设置为 1000，那么每 1ms 系统会产生一次滴答中断，表示每个时间片的默认长度为 1ms。

#define configTICK_RATE_HZ (1000) // 每秒 1000 次 tick，表示每个时间片为 1ms

  我们以图示为例，讲述一下时间片是怎么作用于任务切换的：

1. 初始化：所有任务准备就绪，调度器会按照一定顺序排列任务队列。
2. 任务执行：从队列中的第一个任务开始运行，任务在它的时间片内完成其操作。
3. 任务切换：当一个任务的时间片用完后，调度器中断该任务的执行，并将 CPU 控制权切换到下一个任务。
4. 临界保护：在到达Task3时，(不到一个时间片)进入阻塞，任务完成之后才结束阻塞并切换下一个任务
5. 循环调度：当所有任务轮流执行后，调度器会重新回到第一个任务继续调度。

4.3 时间片调度与临界区保护的关系

  相信看完上面的例子，你可能会产生疑惑：如果一个任务进入临界区保护，在它退出临界区之前，确实不会发生任务切换，那么这不是和时间片调度机制存在矛盾吗？实际上，RTOS 的时间片轮转（time slicing）和优先级调度是一种公平调度机制，在多任务系统中，可以保证不同任务在一段时间内得到执行。然而，临界区保护只是在某些特定代码段中避免任务切换，这段代码之外仍然会遵循时间片轮转机制。所以，临界区只保护短暂的关键代码段，而并不是让任务完全占据 CPU。与此同时，临界区通常只持续很短的时间，用于保护对共享资源的访问。临界区的时间应尽量短，以减少对实时性的影响。当任务不处于临界区时，RTOS 的调度机制仍然可以正常工作，包括时间片轮转、任务优先级调度等。正确使用临界区可以避免竞态条件，而不会对整个系统的实时性产生太大影响。

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