[逆解] FreeRTOS 2 - 任务分拆

任务切换点

FreeRTOS是用中断的方式，将完整的任务函数分拆成代码段。任务函数运行中断，被称做任务挂起。可能挂起任务的原因有两种：

1. 同步和任务管理函数中，显式挂起当前任务。
2. 当前时间片超时，挂起当前任务。

下面是一个完整的任务程序如何被切成的几个代码段的示例：

void Task1(...) // task function
{
    for (;;) // task loop
    {
        // --- Slice 1 ---
        ...
        // RR timeout (时间片超时可能发生在不同的位置)
        // --- Slice 2 ---
        ...
        vTaskDelay(...)         // task suspend
        // --- Slice 3 ---
        ...
        xSemaphoreTake(...) // 如果信号量被锁住，任务被挂起，此处代码段被分割
        // --- Slice 4 ---
        ...
        ...
        // RR timeout (时间片超时可能发生在不同的位置)
        // --- Slice 5 ---
        ...
        xSemaphoreGive(...) // 信号量恢复不会导致任务挂起
        ...
        // Slice 5结束后，如果没有RR中断，会合并Slice 1继续运行。
    }
}

注意：并不是上述所有点都会发生中断。时间片超时中断可能在任意点发生。同步函数则需要判断同步条件来决定是否挂起任务。

时间片超时

如果启用了时间片轮转（configUSE_TIME_SLICING == 1 ），FreeRTOS会在定时器中断中判断当前时间片是否超时，来决定是否需要挂起正在运行的任务。

例如在ARM CM4中， SysTick中断中有如下处理：

void xPortSysTickHandler( void )
{
   uint32_t ulDummy;

   ulDummy = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
   {
       /* Increment the RTOS tick. */
       if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
       {
           /* Pend a context switch. */
           portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
       }
   }
   portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( ulDummy );
}

SysTick是ARM系统最基本的时钟中断，通常被设置成1ms一次。由于它可以用来做一些和定时器相关的操作，它的优先级一般设成比较低，防止一些循环任务和其他设备中断发生逻辑冲突，照成某种程度上的死循环。

FreeRTOS在SysTick中断中，通过xTaskIncrementTick函数来判断是否需要进行任务切换。如果需要进行任务切换，就通过硬件寄存器的设置，触发PendSV中断。任务切换就发生在PendSV的中断处理函数中。

任务挂起中断

在同步函数或者任务管理函数中，如果当前任务需要被挂起（比如同步锁被锁住，vTaskSuspend，vTaskDelay被调用等），挂起函数同样会触发一个软中断，在中断处理函数中进行切换任务。

譬如vTaskDelay函数的最后：

/* Force a reschedule if xTaskResumeAll has not already done so, we may
 * have put ourselves to sleep. */
if( xAlreadyYielded == pdFALSE )
{
        portYIELD_WITHIN_API();
}

再看vTaskSuspend函数中也有类似代码：

if( pxTCB == pxCurrentTCB )
{
    if( xSchedulerRunning != pdFALSE )
    {
        /* The current task has just been suspended. */
        configASSERT( uxSchedulerSuspended == 0 );
        portYIELD_WITHIN_API();
    }
    else
    {
        // ...
    }
}

而portYIELD_WITHIN_API是一个需要移植的函数，需要触发任务挂起中断。在ARM CM4中，它被定义成：

#define portYIELD_WITHIN_API()                          \
   {                                                   \
       /* Set a PendSV to request a context switch. */ \
       portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \
                                                       \
       /* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely \
        * within the specified behaviour for the architecture. */ \
       __asm volatile ( "dsb" ::: "memory" );                     \
       __asm volatile ( "isb" );                                  \
   }

可以看到，其中也是触发了PendSV中断。dsb和isb保证中断前后的数据和指令被完整隔离（清空微指令流水线）。

PendSV vs SVC

ARM中有两个中断都可以实现软中断的效果，就是PendSV和SVC。两者的区别在于优先级。SVC是无条件即时执行的，有点像错误处理。PendSV则是受中断器件管理，遵循屏蔽码和优先级的设置。

portYIELD_WITHIN_API大都被放在了临界区中，所以PendSV最早会在临界区结束的时候被触发。FreeRTOS为此保留了一些处理其他动作的机会，比如上述宏定义中的dsb,isb，用于清空代码和数据流水线，之后再进行任务切换，保证上下文被完全隔离。

同样在SysTick中断中可以看到，触发PendSV前后也有开关中断的动作，类似一个临界区。PendSV会在开中断后才会执行。

FreeRTOS只有在即第一个任务开始运行时，会立即触发SVC中断。彼时没有其他任务需要执行，也不需要保存前一个任务的上下文。因此FreeRTOS采用了一个不同的中断，用不同的中断处理函数来避免在PendSV中多做一些判断操作。

PendSV和SVC的中断处理过程在后文中有详细描述。

临界区

FreeRTOS的任务切换是由软中断实现的，因此临界区需要阻止中断的发生。考虑到设备中断中也会有任务切换的需求，临界区一般会关掉所有的中断。参考下列ARM CM3的实现：

void vPortEnterCritical( void )
{
    portDISABLE_INTERRUPTS();
    uxCriticalNesting++;

    // ...
}
/*-----------------------------------------------------------*/

void vPortExitCritical( void )
{
    // ...
    uxCriticalNesting--;

    if( uxCriticalNesting == 0 )
    {
        portENABLE_INTERRUPTS();
    }
}

portDISABLE_INTERRUPTS和portENABLE_INTERRUPTS会开关所有的中断，包括PendSV在临界区中无法被触发，也就不会切换任务。