本文是基于野火 RTOS 教程对空闲任务和阻塞延时的详解。
注意,空闲任务的任务栈和 TCB 变量我们都在 main.c
中声明为全局变量,但是同时,我们想在开启任务调度器的时候自动创建一个空闲任务,而 RTOS 的开发人员不用显式地去创建空闲任务,所以我们把空闲任务的创建集成在 void vTaskStartScheduler( void ) 这个函数中。这样,我们在启动调度器的同时就会自动创建一个空闲任务。代码如下:
void vTaskStartScheduler( void )
{
/*======================================创建空闲任务start==============================================*/
TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL; /* 用于指向空闲任务控制块 */
StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL; /* 用于空闲任务栈起始地址 */
uint32_t ulIdleTaskStackSize;
/* 获取空闲任务的内存:任务栈和任务TCB */
vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer,
&pxIdleTaskStackBuffer,
&ulIdleTaskStackSize );
xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask, /* 任务入口 */
(char *)"IDLE", /* 任务名称,字符串形式 */
(uint32_t)ulIdleTaskStackSize , /* 任务栈大小,单位为字 */
(void *) NULL, /* 任务形参 */
(StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer, /* 任务栈起始地址 */
(TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer ); /* 任务控制块 */
/* 将任务添加到就绪列表 */
vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ), &( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) );
/*======================================创建空闲任务end================================================*/
/* 手动指定第一个运行的任务 */
pxCurrentTCB = &Task1TCB;
/* 初始化系统时基计数器 */
xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
/* 启动调度器 */
if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
{
/* 调度器启动成功,则不会返回,即不会来到这里 */
}
}
上面这段代码调用了 xTaskCreateStatic() 这个函数进行空闲任务的创建,但是这个函数需要传入空闲任务的任务栈和 TCB 变量,而我们把这些变量定义在了 main.c
中,所以需要使用 vApplicationGetIdleTaskMemory() 这个函数来使 vTaskStartScheduler() 函数中的任务指针等等变量指向定义在 main.c
中的任务栈和 TCB,然后再把这些任务指针等传入 xTaskCreateStatic() 中。vApplicationGetIdleTaskMemory() 的具体代码如下:
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{
*ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;
*ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack;
*pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;
}
具体想法如下:
typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t *pxTopOfStack; /* 栈顶 */
ListItem_t xStateListItem; /* 任务节点 */
StackType_t *pxStack; /* 任务栈起始地址 */
/* 任务名称,字符串形式 */
char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];
TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延时 */
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;
给 TCB 记录延时时间的参数进行赋值,然后调用任务切换函数。
void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
TCB_t *pxTCB = NULL;
/* 获取当前任务的TCB */
pxTCB = pxCurrentTCB;
/* 设置延时时间 */
pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;
/* 任务切换 */
taskYIELD();
}
void vTaskSwitchContext( void )
{
/* 如果当前线程是空闲线程,那么就去尝试执行线程1或者线程2,
看看他们的延时时间是否结束,如果线程的延时时间均没有到期,
那就返回继续执行空闲线程 */
if( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB )
{
if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task1TCB;
}
else if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task2TCB;
}
else
{
return; /* 线程延时均没有到期则返回,继续执行空闲线程 */
}
}
else
{
/*如果当前线程是线程1或者线程2的话,检查下另外一个线程,如果另外的线程不在延时中,就切换到该线程
否则,判断下当前线程是否应该进入延时状态,如果是的话,就切换到空闲线程。否则就不进行任何切换 */
if(pxCurrentTCB == &Task1TCB)
{
if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task2TCB;
}
else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)
{
pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;
}
else
{
return; /* 返回,不进行切换,因为两个线程都处于延时中 */
}
}
else if(pxCurrentTCB == &Task2TCB)
{
if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task1TCB;
}
else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)
{
pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;
}
else
{
return; /* 返回,不进行切换,因为两个线程都处于延时中 */
}
}
}
}
/*
*************************************************************************
* SysTick中断服务函数
*************************************************************************
*/
void xPortSysTickHandler( void )
{
/* 关中断 */
vPortRaiseBASEPRI();
/* 更新系统时基 */
xTaskIncrementTick();
/* 开中断 */
vPortClearBASEPRIFromISR();
}
每次 SysTick 中断触发时,我们更新一下系统时基计数器(以后有用),然后扫描一下就绪列表中所有 TCB 的延时参数,不为 0 就减 1,最后尝试任务切换:
void xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t *pxTCB = NULL;
BaseType_t i = 0;
/* 更新系统时基计数器xTickCount,xTickCount是一个在port.c中定义的全局变量 */
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
xTickCount = xConstTickCount;
/* 扫描就绪列表中所有线程的xTicksToDelay,如果不为0,则减1 */
for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
{
pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );
if(pxTCB->xTicksToDelay > 0)
{
pxTCB->xTicksToDelay --;
}
}
/* 任务切换 */
portYIELD();
}
关于上面这段代码,有一段写得很奇怪:
/* 更新系统时基计数器xTickCount,xTickCount是一个在port.c中定义的全局变量 */
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
xTickCount = xConstTickCount;
笔者刚开始看到的时候想问:直接递增xTickCount不行吗,为什么要写成
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
xTickCount = xConstTickCount;
这样不是画蛇添足吗?使代码更复杂。
其实不然,在任务调度器中,xTickCount 变量用于记录系统的时基计数器。它的目的是跟踪系统运行的时间,并且根据需要递增。
直接递增 xTickCount 可能会导致并发问题。在多线程或多任务的情况下,如果有多个任务同时尝试递增 xTickCount,并且中间存在竞争条件,可能会导致计数不准确或不一致。
为了避免这种并发问题,代码中将递增操作分解为两个步骤:
首先,通过 const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1; 将 xTickCount 的值复制到一个中间变量 xConstTickCount 中,并递增这个中间变量。
然后,将中间变量 xConstTickCount 的值赋回给 xTickCount,完成递增操作。
这样做的好处是,无论何时进行递增操作,代码都使用了一个稳定的中间值 xConstTickCount 来执行计算和更新。这确保了计数器 xTickCount 在整个递增过程中保持一致,并且不会受到其他任务的干扰。这样可以避免并发问题,提高代码的可靠性和正确性。
在调度器启动函数 xPortStartScheduler() 函数中调用 vPortSetupTimerInterrupt():
/*
*************************************************************************
* 调度器启动函数
*************************************************************************
*/
BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
/*
PendSV是一个用于低优先级任务切换的软件中断。
通过触发PendSV中断,可以请求处理器在合适的时
间切换到更高优先级的任务。PendSV中断具有最低
的中断优先级,因此可以在其他中断处理完成后立
即执行。*/
/* 配置PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低 */
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
//初始化SysTick中断
vPortSetupTimerInterrupt();
/* 启动第一个任务,不再返回 */
prvStartFirstTask();
/* 不应该运行到这里 */
return 0;
}
初始化 SysTick 的函数 vPortSetupTimerInterrupt():
/*
*************************************************************************
* 初始化SysTick
*************************************************************************
*/
void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{
/* 设置重装载寄存器的值 */
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
/* 设置系统定时器的时钟等于内核时钟
使能SysTick 定时器中断
使能SysTick 定时器 */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}
这里解释一下重装载寄存器的值怎么设置。计时器实际上是一个计数器,当接收到设定数量的脉冲后进行一次中断,而这个设定的数量就是重装载寄存器的值。
我们把计时器接入到 CPU 晶振后,由于晶振每隔一段固定时间发出一个脉冲信号,此时计时器就将重装载寄存器的值减 1,当重装载寄存器的值减到 0 后,就触发一次中断,由此完成了对晶振的高频率信号的分频。
注意,重装载寄存器的值是从 0 开始减的,所以设置时要减 1。
可以看到,我们使用 configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL 进行设置,configSYSTICK_CLOCK_HZ 实际上就是 CPU 的晶振频率,而 configTICK_RATE_HZ 就是我们设置 SysTick 的中断频率。
其中的宏定义为:
#define configCPU_CLOCK_HZ ( ( unsigned long ) 25000000 )
#define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 100 )
/* SysTick 配置寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e010 ) )
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e014 ) )
#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ
#define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ
/* 确保SysTick的时钟与内核时钟一致 */
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 1UL << 2UL )
#else
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 0 )
#endif
#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT ( 1UL << 0UL )
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