【UCOSIII】UCOSIII的任务调度和切换
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/80753631
可剥夺型任务调度
任务调度就是中止当前正在运行的任务转而去执行其他的任务。
UCOSIII是可剥夺型内核，因此当一个高优先级的任务准备就绪，并且此时发生了任务调度，那么这个高优先级的任务就会获得CPU的使用权！
UCOSIII中的任务调度是由任务调度器来完成的，任务调度器有2种：任务级调度器和中断级调度器。
- 任务级调度器为函数OSSched()；
- 中断级调度器为函数OSIntExit()，当退出外部中断服务函数的时候使用中断级任务调度。
任务级调度器函数OSSched()
先看一下这个函数的定义，该函数代码在os_core.c文件中：
-
void OSSched (void)
-
{
-
CPU_SR_ALLOC();
-
-
if (OSIntNestingCtr > (OS_NESTING_CTR)
0) {
/* 检查是否在中断服务函数中调用 */
-
return;
/* 任务型调度函数，不能在中断中使用 */
-
}
-
-
if (OSSchedLockNestingCtr > (OS_NESTING_CTR)
0) {
/* 检查调度器是否加锁 */
-
return;
-
}
-
-
CPU_INT_DIS();
-
OSPrioHighRdy = OS_PrioGetHighest();
/* 获取任务就绪表中就绪了的最高优先级任务 */
-
OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[OSPrioHighRdy].HeadPtr;
-
if (OSTCBHighRdyPtr == OSTCBCurPtr) {
/* Current task is still highest priority task? */
-
CPU_INT_EN();
/* Yes ... no need to context switch */
-
return;
-
}
-
-
#if OS_CFG_TASK_PROFILE_EN > 0u
-
OSTCBHighRdyPtr->CtxSwCtr++;
/* Inc. # of context switches to this task */
-
#endif
-
OSTaskCtxSwCtr++;
/* Increment context switch counter */
-
-
#if defined(OS_CFG_TLS_TBL_SIZE) && (OS_CFG_TLS_TBL_SIZE > 0u)
-
OS_TLS_TaskSw();
-
#endif
-
-
OS_TASK_SW();
/* 执行任务切换 */
-
CPU_INT_EN();
-
}
在OSSched()中真正执行任务切换的是宏OS_TASK_SW()（在os_cpu.h中定义），宏OS_TASK_SW()就是函数OSCtxSW()，OSCtxSW()是os_cpu_a.asm中用汇编写的一段代码，OSCtxSW()要做的就是将当前任务的CPU寄存器的值保存在任务堆栈中，也就是保存现场，保存完当前任务的现场后将新任务的OS_TCB中保存的任务堆栈指针的值加载到CPU的堆栈指针寄存器中，最后还要从新任务的堆栈中恢复CPU寄存器的值。
中断级调度器函数OSIntExit()
调用OSIntExit()时，中断应该是关闭的。先看一下这个函数的定义：
-
void OSIntExit (void)
-
{
-
CPU_SR_ALLOC();
-
-
if (OSRunning != OS_STATE_OS_RUNNING) {
/* 判断UCOSIII是否运行 */
-
return;
-
}
-
-
CPU_INT_DIS();
-
if (OSIntNestingCtr == (OS_NESTING_CTR)
0) {
/* 中断嵌套计数器 */
-
CPU_INT_EN();
-
return;
-
}
-
OSIntNestingCtr--;
-
if (OSIntNestingCtr > (OS_NESTING_CTR)
0) {
/* 还有中断发生，跳回到中断服务程序中，不做任务切换 */
-
CPU_INT_EN();
-
return;
-
}
-
-
if (OSSchedLockNestingCtr > (OS_NESTING_CTR)
0) {
/* 检查调度器是否加锁 */
-
CPU_INT_EN();
-
return;
-
}
-
-
OSPrioHighRdy = OS_PrioGetHighest();
/* Find highest priority */
-
OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[OSPrioHighRdy].HeadPtr;
/* Get highest priority task ready-to-run */
-
if (OSTCBHighRdyPtr == OSTCBCurPtr) {
/* Current task still the highest priority? */
-
CPU_INT_EN();
/* Yes */
-
return;
-
}
-
-
#if OS_CFG_TASK_PROFILE_EN > 0u
-
OSTCBHighRdyPtr->CtxSwCtr++;
/* Inc. # of context switches for this new task */
-
#endif
-
OSTaskCtxSwCtr++;
/* Keep track of the total number of ctx switches */
-
-
#if defined(OS_CFG_TLS_TBL_SIZE) && (OS_CFG_TLS_TBL_SIZE > 0u)
-
OS_TLS_TaskSw();
-
#endif
-
-
OSIntCtxSw();
/*执行任务切换 */
-
CPU_INT_EN();
-
}
在中断级调度器中真正完成任务切换的就是中断级任务切换函数OSIntCtxSW()，与任务级切换函数OSCtxSW()不同的是，由于进入中断的时候现场已经保存过了，所以OSIntCtxSW()不需要像OSCtxSW()一样先保存当前任务现场，只需要做OSCtxSW()的后半部分工作，也就是从将要执行的任务堆栈中恢复CPU寄存器的值。
其中：OSIntNestingCtr为中断嵌套计数器，进入中断服务函数后我们要调用OSIntEnter()函数，在这个函数中会将OSIntNestingCtr加1，用来记录中断嵌套的次数。而OSIntExit()是在退出中断服务函数时调用的，因此中断嵌套计数器要减1。如果减1之后，OSIntNestingCtr还大于0，说明还有其他的中断发生，那么就跳回到中断服务程序中，不需要做任务切换。
任务调度点
知道了任务调度的过程，那么什么时候发生任务调度呢？
- 使用延时函数OSTimeDly()或者OSTimeDlyHMSM()；
- 创建任务；
- 删除任务；
- 任务通过调用OSTaskSuspend()将自身挂起；
- 任务解挂某个挂起的任务；
- 用户调用OSSched()；
- 释放信号量或者发送消息，也可通过配置相应的参数不发生任务调度；
- 任务等待的事情还没发生(等待信号量，消息队列等)；
- 任务取消等待；
- 删除一个内核对象；
- 任务改变自身的优先级或者其他任务的优先级；
- 退出所有的嵌套中断；
- 通过OSSchedUnlock()给调度器解锁；
- 任务调用OSSchedRoundRobinYield()放弃其执行时间片。
这么多么多调度点中，前六个尤其重要！
调度器上锁和解锁
有时候我们并不希望发生任务调度，因为始终有一些代码的执行过程是不能被打断的。此时我们就可以使用函数OSSchedLock()对调度器加锁，当我们想要恢复任务调度的时候就可以使用函数OSSchedUnlock()给已经上锁的任务调度器解锁。
时间片轮转调度
UCOSIII允许一个优先级下有多个任务，要使用这个功能我们需要定义OS_CFG_SCHED_ROUND_ROBIN_EN为1，这些任务的调度是一个值得考虑的问题。不过这不是我们要考虑的，貌似说了一句废话。
在UCOSIII中允许一个任务运行一段时间（时间片）后让出CPU的使用权，让拥有同优先级的下一个任务运行，这种任务调度方法就是时间片轮转调度。
我们先看一个例子：
(1) 任务3正在运行，这时一个时钟节拍中断发生，但是任务3的时间片还没完成；
(2) 任务3的时钟片用完；
(3) UCOSIII切换到任务1，任务1是优先级N下的下一个就绪任务；
(4) 任务1连续运行至时间片用完；
(5) 任务3运行；
(6) 任务3调用OSSchedRoundRobinYield()(在os_core.c文件中定义)函数放弃剩余的时间片，从而使优先级X下的下一个就绪的任务运行；
(7) UCOSIII切换到任务1；
(8) 任务1执行完其时间片。
时间片轮转调度器为：OS_SchedRoundRobin()，函数代码如下：
-
void OS_SchedRoundRobin (OS_RDY_LIST *p_rdy_list)
-
{
-
OS_TCB *p_tcb;
-
CPU_SR_ALLOC();
-
-
if (OSSchedRoundRobinEn != DEF_TRUE) {
/* 检查时间片轮转调度是否允许 */
-
return;
-
}
-
-
CPU_CRITICAL_ENTER();
-
p_tcb = p_rdy_list->HeadPtr;
/* 获取某一优先级下就绪任务列表中的第一个任务 */
-
-
if (p_tcb == (OS_TCB *)
0) {
//没有任务就绪那就直接返回
-
CPU_CRITICAL_EXIT();
-
return;
-
}
-
-
if (p_tcb == &OSIdleTaskTCB) {
//为空闲任务的TCB,那么也就直接返回
-
CPU_CRITICAL_EXIT();
-
return;
-
}
-
-
if (p_tcb->TimeQuantaCtr > (OS_TICK)
0) {
//TimeQuantaCtr字段表示当前任务的时间片还剩多少
-
p_tcb->TimeQuantaCtr--;
-
}
-
-
if (p_tcb->TimeQuantaCtr > (OS_TICK)
0) {
/* 说明任务的时间片还没用完，那么就不能进行任务切换 */
-
CPU_CRITICAL_EXIT();
-
return;
-
}
-
-
if (p_rdy_list->NbrEntries < (OS_OBJ_QTY)
2) {
/* NbrEntries字段表示某一优先级下的任务数量 */
-
CPU_CRITICAL_EXIT();
/* NbrEntries是否小于2，如果任务数小于2就不需要做任务切换 */
-
return;
-
}
-
-
if (OSSchedLockNestingCtr > (OS_NESTING_CTR)
0) {
/* 判断调度器是否上锁，如果上锁的话就直接返回 */
-
CPU_CRITICAL_EXIT();
-
return;
-
}
-
-
OS_RdyListMoveHeadToTail(p_rdy_list);
/* 将当前任务的OS_TCB从双向链表头移到链表尾 */
-
p_tcb = p_rdy_list->HeadPtr;
/* 获取新的双向链表头，也就是下一个要执行的任务 */
-
if (p_tcb->TimeQuanta == (OS_TICK)
0) {
/* 要为下一个要执行的任务装载时间片值 */
-
p_tcb->TimeQuantaCtr = OSSchedRoundRobinDfltTimeQuanta;
-
}
else {
-
p_tcb->TimeQuantaCtr = p_tcb->TimeQuanta;
/* Load time slice counter with new time */
-
}
-
CPU_CRITICAL_EXIT();
-
}
通过上面的程序我们可以清晰的看到，如果某一优先级下有多个任务话，这些任务是如何被调度和运行的：先判断该任务的时间片是否有剩余，如果有就直接返回不切换；如果没有，就进行切换。每次任务切换后运行的都是处于就绪任务列表OSRdyList[]链表头的任务，当这个任务的时间片用完后这个任务就会被放到链表尾，然后再运行新的链表头的任务。
UCOSIII任务切换
当UCOSIII需要切换到另外一个任务时，它将保存当前任务的现场到当前任务的堆栈中，主要是CPU寄存器值，然后恢复新的现场并且执行新的任务，这个过程就是任务切换。
在上文的任务调度函数中，我们提到：
- 任务级调度器函数OSSched()中真正执行任务切换的是函数OSCtxSW()；
- 中断级调度器函数OSIntExit()中真正完成任务切换的是函数OSIntCtxSW()。
其实后面这两个函数就是UCOSIII的任务切换函数。任务切换分为两种：任务级切换和中断级切换。
- 任务级切换函数为：OSCtxSw()；
- 中断级切换函数为：OSIntCtxSw()。
这两个函数都是用汇编语言来编写的，以寻求最快的运行速度：
-
OSCtxSw
-
LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ;
Trigger the PendSV exception (causes context switch)
-
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
-
STR R1, [R0]
-
BX LR
-
OSIntCtxSw
-
LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ;
Trigger the PendSV exception (causes context switch)
-
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
-
STR R1, [R0]
-
BX LR