【学习日记】【FreeRTOS】延时列表的实现

前言

本文在前面文章的基础上实现了延时列表，取消了 TCB 中的延时参数。
本文是对野火 RTOS 教程的笔记，融入了笔者的理解，代码大部分来自野火。

一、如何更高效地查找延时到期的任务

1. 朴素方式

• 在本文之前，我们使用了一种朴素的思想进行延时任务的查找：
  • 在 TCB 中设置一个延时参数，需要延时的时候进行初始化
  • 将延时任务挂起（清除就绪优先级位 uxTopReadyPriority）
  • 当 SysTick 中断时，扫描就绪列表中每个 TCB，如果延时参数不为 0 就减 1
  • 如果延时参数被减到 0，就置对应的就绪优先级位 uxTopReadyPriority，然后进行任务切换
    可以看到，上面这种想法非常朴素，但是每次 SysTick 中断的时候都需要扫描一遍就绪列表中的所有任务，当任务多的时候，耗时将会很多。

2. 更高效的方式

• 设置除就绪列表外的另一个列表——延时列表
• 当任务要进入延时的时候，将延时到期的值设置为节点的排序值，根据排序值按升序插入延时列表中，然后将该任务从就绪列表中删除
• 同时更新下一个任务的解锁时刻的变量 xNextTaskUnblockTime，这个变量的意思是，当系统时基计数器 xTickCount 的值与 xNextTaskUnblockTime 相等时，就表示有任务延时到期了，需要将该任务就绪
  可以看到，FreeRTOS 用这种方式避免了扫描所有任务的延时，这点是优于 RT-Thread 和 μC/OS 的。

实际上，有两个延时列表，这是为了解决延时时间溢出的问题。

如图：

二、代码详解

我们添加或修改以下的代码：

• 两条延时列表的定义和初始化
• 下一任务到期时间点变量的定义及初始化
• 修改延时函数，延时时将任务从就绪列表中删除并添加到延时列表
• 修改时基计数器中断，每次计时时查看是否有任务到期

还有一些辅助的函数，主要是解决当计时溢出或者延时溢出时两条延时列表的切换：

• 切换当前延时列表指针和溢出延时列表指针函数
• 更新任务到期时间点变量的函数

1. 延时列表的定义及初始化

① 定义

• 定义了两个任务延时列表，当系统时基计数器xTickCount 没有溢出时，用一条列表，当 xTickCount 溢出后，用另外一条列表
• pxDelayedTaskList 指向 xTickCount 没有溢出时使用的那条列表
• pxOverflowDelayedTaskList 指向 xTickCount 溢出时使用的那条列表

//延时列表
static List_t xDelayedTaskList1;
static List_t xDelayedTaskList2;
//延时列表指针（用于切换）
static List_t * volatile pxDelayedTaskList;
static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;

② 初始化

/* 初始化任务相关的列表 */
void prvInitialiseTaskLists( void )
{
    UBaseType_t uxPriority;
    
    //就绪列表初始化
    for( uxPriority = ( UBaseType_t ) 0U; uxPriority < ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES; uxPriority++ )
	{
		vListInitialise( &( pxReadyTasksLists[ uxPriority ] ) );	//初始化每个就绪列表
	}
	
	//延时列表初始化
	vListInitialise( &xDelayedTaskList1 );
	vListInitialise( &xDelayedTaskList2 );
    
    pxDelayedTaskList = &xDelayedTaskList1;
	pxOverflowDelayedTaskList = &xDelayedTaskList2;
}

2. 下一任务到期时间点变量的定义和初始化

• xNextTaskUnblockTime 用于表示下一个任务的解锁时刻
• xNextTaskUnblockTime = xTickCount + xTicksToDelay（当前时间 + 延时时间）
• 当系统时基计数器 xTickCount 的值与 xNextTaskUnblockTime 相等时，就表示有任务延时到期了，需要将该任务就绪

① 定义

//下一个延时任务到期的时间
static volatile TickType_t xNextTaskUnblockTime		= ( TickType_t ) 0U;

② 初始化

• 在 vTaskStartScheduler 任务调度器函数中初始化为 portMAX_DELAY
• portMAX_DELAY 是一个 portmacro.h 中定义的宏，默认为 0xffffffffUL

#define portMAX_DELAY ( TickType_t ) 0xffffffffUL

void vTaskStartScheduler( void )
{
/*======================================创建空闲任务start==============================================*/     
    TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
    StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
    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 */
                                         (UBaseType_t) tskIDLE_PRIORITY,           /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 */
					                     (StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer,     /* 任务栈起始地址 */
					                     (TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer );           /* 任务控制块 */
/*======================================创建空闲任务end================================================*/ 
    xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
    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 */
    }
}

3. 延时函数的修改

任务调用延时函数时，将任务从就绪列表中转移到延时列表中：

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    
    /* 获取当前任务的TCB */
    pxTCB = pxCurrentTCB;
    
    /* 将任务插入到延时列表 */
    prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay );
    
    /* 任务切换 */
    taskYIELD();
}

• 任务插入延时列表使用 prvAddCurrentTaskToDelayedList()
• 这个函数除了插入操作还处理了延时溢出的情况
• 笔者画了个流程图方便大家理解：
  

//将任务插入到延时列表
static void prvAddCurrentTaskToDelayedList( TickType_t xTicksToWait )
{
    TickType_t xTimeToWake;
    
    /* 获取系统时基计数器xTickCount的值 */
    const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;

    /* 将任务从就绪列表中移除 */
	if( uxListRemove( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) ) == ( UBaseType_t ) 0 )
	{
		/* 将任务在优先级位图中对应的位清除 */
        portRESET_READY_PRIORITY( pxCurrentTCB->uxPriority, uxTopReadyPriority );
	}

    /* 计算延时到期时，系统时基计数器xTickCount的值是多少 */
    xTimeToWake = xConstTickCount + xTicksToWait;

    /* 将延时到期的值设置为节点的排序值 */
    listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ), xTimeToWake );

    /* 溢出 */
    if( xTimeToWake < xConstTickCount )
    {
        vListInsert( pxOverflowDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );
    }
    else /* 没有溢出 */
    {

        vListInsert( pxDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );

        /* 更新下一个任务解锁时刻变量xNextTaskUnblockTime的值 */
        if( xTimeToWake < xNextTaskUnblockTime )
        {
            xNextTaskUnblockTime = xTimeToWake;
        }
    }	
}

4. 修改时基计数器中断

• 修改时基计数器中断，每次计时时查看是否有任务到期
• 并且处理时基计数器溢出情况
• 函数流程图如下
  
• 函数代码如下：

//系统时基计数
void xTaskIncrementTick( void )
{
	TCB_t * pxTCB;
	TickType_t xItemValue;

	//系统时基计数 + 1
	const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
	xTickCount = xConstTickCount;

	/* 如果xConstTickCount溢出，则切换延时列表 */
	if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U )
	{
		taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
	}

	/* 最近的延时任务延时到期 */
	if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
	{
		for( ;; )
		{
			if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
			{
				/* 延时列表为空，设置xNextTaskUnblockTime为可能的最大值 */
				xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
				break;
			}
			else /* 延时列表不为空 */
			{
				pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
				xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );

				/* 直到将延时列表中所有延时到期的任务移除才跳出for循环 */
                if( xConstTickCount < xItemValue )
				{
					xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
					break;
				}

				/* 将任务从延时列表移除，消除等待状态 */
				( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );

				/* 将解除等待的任务添加到就绪列表 */
				prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
			}
		}
	}/* xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime */
    
    /* 任务切换 */
    portYIELD();
}

5. 交换非溢出延时指针和溢出延时指针

• 使用一个中间变量进行交换
• 切换延时列表后记得更新 xNextTaskUnblockTime 的值

/* 
 * 当系统时基计数器溢出的时候，延时列表pxDelayedTaskList 和
 * pxOverflowDelayedTaskList要互相切换
 */
#define taskSWITCH_DELAYED_LISTS()\
{\
	List_t *pxTemp;\
	pxTemp = pxDelayedTaskList;\
	pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList;\
	pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp;\
	xNumOfOverflows++;\
	prvResetNextTaskUnblockTime();\
}

6. 更新任务到期时间点变量的函数

• 函数流程图：
  

• 函数代码：

//重新设置变量xNextTaskUnblockTime的值
static void prvResetNextTaskUnblockTime( void )
{
    TCB_t *pxTCB; // 定义一个指向TCB_t类型的指针变量pxTCB

	if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
	{
		/* 新的延时任务列表为空。将xNextTaskUnblockTime设置为最大可能值，以确保在延时列表中有任务项之前，if( xTickCount >= xNextTaskUnblockTime )的测试不会通过。 */
		xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
	}
	else
	{
		/* 新的延时任务列表不为空，获取延时列表头部任务的值。这个值表示了延时列表头部任务应该从阻塞状态中解除的时间。 */
		( pxTCB ) = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
		xNextTaskUnblockTime = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( ( pxTCB )->xStateListItem ) );
	}
}

后记

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