【专题1：电子工程师】 之 【34.基于STM32从0到1写操作系统 - 【13.延时队列和同优先级时间片运行】】
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1.之前代码的缺陷
使用一个for循环，遍历数组中的所有元素，效率是非常慢的，并且做了很多无用的遍历（数组中有很多元素是空的，但也需要被遍历）。
void tTaskSystemTickHandler ()
{
// 检查所有任务的delayTicks数，如果不0的话，减1。
int i;
uint32_t status = tTaskEnterCritical();
for (i = 0; i < TINYOS_PRO_COUNT; i++)
{
if (taskTable[i]->delayTicks > 0)
{
taskTable[i]->delayTicks--;
}
else
{
tBitmapSet(&taskPrioBitmap, i);
}
}
tTaskExitCritical(status);
// 这个过程中可能有任务延时完毕(delayTicks = 0)，进行一次调度。
tTaskSched();
}
2.延时队列设计
将所有需要延时的任务单独放置在一个队列（双向链表）中，每次发生系统时钟节拍时，只扫描该队列。
3.同优先级时间片运行
之前在taskTable数组中的元素是tTask，现在将其改为：元素为一个链表，在初始化任务时，根据任务的优先级找到taskTable中对应的链表元素，然后将任务插入到链表中。在systick定时器中断函数中，扫描元素链表中的各个可以运行的任务。
4.核心代码
#include "tinyOS.h"
#include "ARMCM3.h"
// 当前任务：记录当前是哪个任务正在运行
tTask * currentTask;
// 下一个将即运行的任务：在进行任务切换前，先设置好该值，然后任务切换过程中会从中读取下一任务信息
tTask * nextTask;
// 空闲任务
tTask * idleTask;
// 任务优先级的标记位置结构
tBitmap taskPrioBitmap;
// 所有任务的指针数组：简单起见，只使用两个任务
tList taskTable[TINYOS_PRO_COUNT];
// 调度锁计数器
uint8_t schedLockCount;
// 延时队列
tList tTaskDelayedList;
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskInit
** Descriptions : 初始化任务结构
** parameters : task 要初始化的任务结构
** parameters : entry 任务的入口函数
** parameters : param 传递给任务的运行参数
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskInit (tTask * task, void (*entry)(void *), void *param, uint32_t prio, uint32_t * stack)
{
// 为了简化代码，tinyOS无论是在启动时切换至第一个任务，还是在运行过程中在不同间任务切换
// 所执行的操作都是先保存当前任务的运行环境参数（CPU寄存器值）的堆栈中(如果已经运行运行起来的话)，然后再
// 取出从下一个任务的堆栈中取出之前的运行环境参数，然后恢复到CPU寄存器
// 对于切换至之前从没有运行过的任务，我们为它配置一个“虚假的”保存现场，然后使用该现场恢复。
// 注意以下两点：
// 1、不需要用到的寄存器，直接填了寄存器号，方便在IDE调试时查看效果；
// 2、顺序不能变，要结合PendSV_Handler以及CPU对异常的处理流程来理解
*(--stack) = (unsigned long)(1<<24); // XPSR, 设置了Thumb模式，恢复到Thumb状态而非ARM状态运行
*(--stack) = (unsigned long)entry; // 程序的入口地址
*(--stack) = (unsigned long)0x14; // R14(LR), 任务不会通过return xxx结束自己，所以未用
*(--stack) = (unsigned long)0x12; // R12, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x3; // R3, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x2; // R2, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x1; // R1, 未用
*(--stack) = (unsigned long)param; // R0 = param, 传给任务的入口函数
*(--stack) = (unsigned long)0x11; // R11, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x10; // R10, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x9; // R9, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x8; // R8, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x7; // R7, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x6; // R6, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x5; // R5, 未用
*(--stack) = (unsigned long)0x4; // R4, 未用
task->slice = TINYOS_SLICE_MAX; // 初始化任务的时间片计数
task->stack = stack; // 保存最终的值
task->delayTicks = 0;
task->prio = prio; // 设置任务的优先级
task->state = TINYOS_TASK_STATE_RDY; // 设置任务为就绪状态
tNodeInit(&(task->delayNode)); // 初始化延时结点
tNodeInit(&(task->linkNode)); // 初始化链接结点
tListAddLast(&taskTable[prio], &(task->linkNode)); // 插入对应的优先级队列中
tBitmapSet(&taskPrioBitmap, prio); // 标记优先级位置中的相应位
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskHighestReady
** Descriptions : 获取当前最高优先级且可运行的任务
** parameters : 无
** Returned value : 优先级最高的且可运行的任务
***********************************************************************************************************/
tTask * tTaskHighestReady (void)
{
uint32_t highestPrio = tBitmapGetFirstSet(&taskPrioBitmap);
tNode * node = tListFirst(&taskTable[highestPrio]);
return (tTask *)tNodeParent(node, tTask, linkNode);
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : 初始化调度器
** Descriptions : 无
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSchedInit (void)
{
int i = 0;
schedLockCount = 0;
tBitmapInit(&taskPrioBitmap);
for (i = 0; i < TINYOS_PRO_COUNT; i++)
{
tListInit(&taskTable[i]);
}
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskSchedDisable
** Descriptions : 禁止任务调度
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSchedDisable (void)
{
uint32_t status = tTaskEnterCritical();
if (schedLockCount < 255)
{
schedLockCount++;
}
tTaskExitCritical(status);
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskSchedEnable
** Descriptions : 允许任务调度
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSchedEnable (void)
{
uint32_t status = tTaskEnterCritical();
if (schedLockCount > 0)
{
if (--schedLockCount == 0)
{
tTaskSched();
}
}
tTaskExitCritical(status);
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskSchedRdy
** Descriptions : 将任务设置为就绪状态
** input parameters : task 等待设置为就绪状态的任务
** output parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSchedRdy (tTask * task)
{
tListAddLast(&taskTable[task->prio], &(task->linkNode));
tBitmapSet(&taskPrioBitmap, task->prio);
}
/************************************************************************************************************ Function name : tSchedulerUnRdyTask
** Descriptions : tTaskSchedUnRdy
** Descriptions : 将任务从就绪列表中移除
** input parameters : task ÒªÒƳýµÄÈÎÎñ¿é
** output parameters : None
** Returned value : None
***********************************************************************************************************/
void tTaskSchedUnRdy (tTask * task)
{
tListRemove(&taskTable[task->prio], &(task->linkNode));
// 队列中可能存在多个任务。只有当没有任务时，才清除位图标记
if (tListCount(&taskTable[task->prio]) == 0)
{
tBitmapClear(&taskPrioBitmap, task->prio);
}
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskSched
** Descriptions : 任务调度接口。tinyOS通过它来选择下一个具体的任务，然后切换至该任务运行。
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSched (void)
{
tTask * tempTask;
// 进入临界区，以保护在整个任务调度与切换期间，不会因为发生中断导致currentTask和nextTask可能更改
uint32_t status = tTaskEnterCritical();
// 如何调度器已经被上锁，则不进行调度，直接退bm
if (schedLockCount > 0)
{
tTaskExitCritical(status);
return;
}
// 找到优先级最高的任务。这个任务的优先级可能比当前低低
// 但是当前任务是因为延时才需要切换，所以必须切换过去，也就是说不能再通过判断优先级来决定是否切换
// 只要判断不是当前任务，就立即切换过去
tempTask = tTaskHighestReady();
if (tempTask != currentTask)
{
nextTask = tempTask;
tTaskSwitch();
}
// 退出临界区
tTaskExitCritical(status);
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskDelayedInit
** Descriptions : 初始化任务延时机制
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskDelayedInit (void)
{
tListInit(&tTaskDelayedList);
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTimeTaskWait
** Descriptions : 将任务加入延时队列中
** input parameters : task 需要延时的任务
** ticks 延时的ticks
** output parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTimeTaskWait (tTask * task, uint32_t ticks)
{
task->delayTicks = ticks;
tListAddLast(&tTaskDelayedList, &(task->delayNode));
task->state |= TINYOS_TASK_STATE_DELAYED;
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTimeTaskWakeUp
** Descriptions : 将延时的任务从延时队列中唤醒
** input parameters : task 需要唤醒的任务
** output parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTimeTaskWakeUp (tTask * task)
{
tListRemove(&tTaskDelayedList, &(task->delayNode));
task->state &= ~TINYOS_TASK_STATE_DELAYED;
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskSystemTickHandler
** Descriptions : 系统时钟节拍处理。
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSystemTickHandler (void)
{
tNode * node;
// 进入临界区，以保护在整个任务调度与切换期间，不会因为发生中断导致currentTask和nextTask可能更改
uint32_t status = tTaskEnterCritical();
// 检查所有任务的delayTicks数，如果不0的话，减1。
for (node = tTaskDelayedList.headNode.nextNode; node != &(tTaskDelayedList.headNode); node = node->nextNode)
{
tTask * task = tNodeParent(node, tTask, delayNode);
if (--task->delayTicks == 0)
{
// 将任务从延时队列中移除
tTimeTaskWakeUp(task);
// 将任务恢复到就绪状态
tTaskSchedRdy(task);
}
}
// 检查下当前任务的时间片是否已经到了
if (--currentTask->slice == 0)
{
// 如果当前任务中还有其它任务的话，那么切换到下一个任务
// 方法是将当前任务从队列的头部移除，插入到尾部
// 这样后面执行tTaskSched()时就会从头部取出新的任务取出新的任务作为当前任务运行
if (tListCount(&taskTable[currentTask->prio]) > 0)
{
tListRemoveFirst(&taskTable[currentTask->prio]);
tListAddLast(&taskTable[currentTask->prio], &(currentTask->linkNode));
// 重置计数器
currentTask->slice = TINYOS_SLICE_MAX;
}
}
// 退出临界区
tTaskExitCritical(status);
// 这个过程中可能有任务延时完毕(delayTicks = 0)，进行一次调度。
tTaskSched();
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : tTaskDelay
** Descriptions : 使当前任务进入延时状态。
** parameters : delay 延时多少个ticks
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void tTaskDelay (uint32_t delay) {
// 进入临界区，以保护在整个任务调度与切换期间，不会因为发生中断导致currentTask和nextTask可能更改
uint32_t status = tTaskEnterCritical();
// 设置延时值，插入延时队列
tTimeTaskWait(currentTask, delay);
// 将任务从就绪表中移除
tTaskSchedUnRdy(currentTask);
// 然后进行任务切换，切换至另一个任务，或者空闲任务
// delayTikcs会在时钟中断中自动减1.当减至0时，会切换回来继续运行。
tTaskSched();
// 退出临界区
tTaskExitCritical(status);
}
/*********************************************************************************************************
** 系统时钟节拍定时器System Tick配置
** 在我们目前的环境（模拟器）中，系统时钟节拍为12MHz
** 请务必按照本教程推荐配置，否则systemTick的值就会有变化，需要查看数据手册才了解
**********************************************************************************************************/
void tSetSysTickPeriod(uint32_t ms)
{
SysTick->LOAD = ms * SystemCoreClock / 1000 - 1;
NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
SysTick->VAL = 0;
SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
SysTick_CTRL_TICKINT_Msk |
SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
}
/**********************************************************************************************************
** Function name : SysTick_Handler
** Descriptions : SystemTick的中断处理函数。
** parameters : 无
** Returned value : 无
***********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler ()
{
tTaskSystemTickHandler();
}
/**********************************************************************************************************
** 应用示例
** 有两个任务，分别执行task1Entry和task2Entry
** 其中task1Entry的优先级更高，只要它不处于延时状态，那么就运行它
** task2Entry和task3Entry相同优先级，按时间片切换运行，且在task1Entry延时时才能运行
**********************************************************************************************************/
int task1Flag;
void task1Entry (void * param)
{
tSetSysTickPeriod(10);
for (;;)
{
task1Flag = 1;
tTaskDelay(1);
task1Flag = 0;
tTaskDelay(1);
}
}
void delay ()
{
int i;
for (i = 0; i < 0xFF; i++) {}
}
int task2Flag;
void task2Entry (void * param)
{
for (;;)
{
task2Flag = 1;
delay();
task2Flag = 0;
delay();
}
}
int task3Flag;
void task3Entry (void * param)
{
for (;;)
{
task3Flag = 1;
delay();
task3Flag = 0;
delay();
}
}
// 任务1和任务2的任务结构，以及用于堆栈空间
tTask tTask1;
tTask tTask2;
tTask tTask3;
tTaskStack task1Env[1024];
tTaskStack task2Env[1024];
tTaskStack task3Env[1024];
// 用于空闲任务的任务结构和堆栈空间
tTask tTaskIdle;
tTaskStack idleTaskEnv[1024];
void idleTaskEntry (void * param) {
for (;;)
{
// 空闲任务什么都不做
}
}
int main ()
{
// 优先初始化tinyOS的核心功能
tTaskSchedInit();
// 初始化延时队列
tTaskDelayedInit();
// 初始化任务1和任务2结构，传递运行的起始地址，想要给任意参数，以及运行堆栈空间
tTaskInit(&tTask1, task1Entry, (void *)0x11111111, 0, &task1Env[1024]);
tTaskInit(&tTask2, task2Entry, (void *)0x22222222, 1, &task2Env[1024]);
tTaskInit(&tTask3, task3Entry, (void *)0x33333333, 1, &task3Env[1024]);
// 创建空闲任务
tTaskInit(&tTaskIdle, idleTaskEntry, (void *)0, TINYOS_PRO_COUNT - 1, &idleTaskEnv[1024]);
// 这里，不再指定先运行哪个任务，而是自动查找最高优先级的任务运行
nextTask = tTaskHighestReady();
// 切换到nextTask， 这个函数永远不会返回
tTaskRunFirst();
return 0;
}
到目前为止，操作系统中最核心的调度模块已经编写完毕，具体实现了以下功能：
(1)多任务支持，只要内存足够大，理论上，创建无限个任务。
(2)多优先级支持，目前支持32级任务优先级。
(3)支持同优先级任务时间片轮转调度。
(4)调用系统延时函数，任务可主动释放CPU，此时可以调度到其他任务。
用到以下知识点：
(1) ARM CPU PendSV异常，用于任务切换（切换代码是使用内嵌汇编写的）。
(2) Systick定时器，用于创建系统时钟节拍，用于时间片轮转调度任务。
(3) 位图数据结构，用于快速查找需要执行的下一个任务。
(4) 双向链表，用于链接各个任务和各个需要延时的任务。
测试结果：
系统共有4个任务，任务1优先级最高，任务2和任务3相同优先级，任务4为idle任务。
从图中可以看出，任务1占用CPU的机会最多，任务2和任务3按时间片轮转机制，占用CPU时长相同。
