FreeRTOS知识点总结

FreeRTOS知识点总结

1. 移植

• 添加src文件，添加包含路径
• 修改FreeRTOSconfig.h
  • 定义中断组：4
  • 宏定义SVC，PendSV，SysTick中断处理函数
  • 根据所需功能，裁剪系统

2. 系统裁剪

对FreeRTOSConfig.h文件进行修改，宏定义打开/关闭，包含打开/关闭

• 内核相关配置
• 内存管理配置
• 钩子函数配置
• 任务追踪配置
• 协程配置
• 软件定时器配置
• 断言配置
• 中断配置

3. 调试方法

3.1 串口打印调试

• 需打开任务追踪配置

#define configUSE_TRACE_FACILITY	1
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS	1
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS	1
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()	初始化定时器函数()，周期为系统时钟的10~20倍
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()	设置全局变量，为时间统计功能提供节拍，在定时器中断服务函数中更新

• 初始化定时器，中断优先级设到最高
• 使用函数vTaskList()创建一个表格描述每个任务的详细信息
• 使用函数vTaskGetRunTimeStats()创建一个表格描述每个任务的运行时间和其所占总时间的百分比

函数原型：

void vTaskList( char * pcWriteBuffer );
void vTaskGetRunTimeStats( char *pcWriteBuffer );

• 调用printf()打印表格

3.2 IAR插件调试

• 打开任务追踪配置

#define configUSE_TRACE_FACILITY	1

• 打开IAR-Project-Options
  • Debugger
    • Plugins
      • √ FreeRTOS and OpenRTOS
• 插件显示表格

3.3 栈溢出检测调试

3.3.1 方法1

在**任务切换**时，检测任务栈指针是否越界，越界则触发栈溢出钩子函数

• 打开钩子函数配置

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW	1

• 在函数vApplicationStackOverflowHook()函数中，打印任务名

3.3.2 方法2

在任务创建时，任务栈所有数据初始化为0xa5，在任务切换时，检测末尾16个字节是否都为0xa5

• 打开钩子函数配置

#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW	2 

• 在函数vApplicationStackOverflowHook()函数中，打印任务名

无论方法1、方法2都是在任务进行切换时执行，存在局限性：

• 任务执行的过程中出现过栈溢出，但任务切换前栈指针又恢复到了正常水平（方法1）
• 任务栈末尾的 16 个字节没有用到，即不会被修改，但是任务栈已经溢出了（方法2）
• 任务栈溢出后，把系统中的重要数据修改了导致系统直接进入Hardfault（方法1、2）

3.3.3 任务栈水位检测函数

函数uxTaskGetStackHighWaterMark (TaskHandle_t xTask)，可返回自任务运行以来剩余可用堆栈空间的最小值，即任务运行过程中堆栈最大使用量时还剩余多少空间

• 打开包含

#define INCLUDE_uxTaskGetStackHighWaterMark	1

• 如果函数返回0则说明可能发生了任务堆栈溢出

4. 栈设置

• 创建任务时，设置任务栈大小，单位为word，从FreeRTOSConfig.h文件中定义的堆空间申请
• 启动文件.s中设置系统栈大小，单位为byte，中断函数与中断嵌套使用系统栈
  • MSP主堆栈指针给系统栈使用，PSP进程堆栈指针给任务栈使用，进入中断函数及中断嵌套中，都是用MSP指针
  • 实际应用中分配，按最坏情况：
    • M3：64字节
    • M4：200字节

5. 中断设置

• 中断优先级组配置：STM32只使用4位，共5组优先级组，使用FreeRTOS时，使用分组4，只有0~15抢占优先级

• configPRIO_BITS：配置系统中断优先级组寄存器[7:0]使用位数，设为 4

• configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY：设置系统最低优先级，设为 15

• configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY

配置内核中断优先级，由宏 configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY 左移 8-configPRIO_BITS 位得到，即配置PendSV，SysTick中断优先级为最低

• configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY：设为 1<=n<=15

设置 FreeRTOS 系统可管理的最大优先级，实际即对 BASEPRI 寄存器进行操作，优先级高于该值的中断，FreeRTOS内核无法调度

• configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

由宏 configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 左移 8-configPRIO_BITS位得到

图片

6. 列表

• FreeRTOS列表：双向循环链表，初始化时，通过列表位迷你列表项作为末尾哨兵节点，将整个链表连接起来

• 列表结构体：

  • 列表完整性检查项1
  • 列表中列表项个数
  • 列表索引项
  • 列表最后一个列表项（迷你列表项）
  • 列表完整性检查2

• 列表项结构体：

  • 列表完整性检查项1
  • 列表项值，用于顺序排列（通常为：醒来时间，优先级排序）
  • 前一项
  • 后一项
  • 拥有列表项的内核对象，存放TCB
  • 列表项归属，存放列表地址
  • 列表完整性检查项2

• 迷你列表项：

  • 列表完整性检查项1
  • 列表项值，设为portMAX_DELAY
  • 前一项
  • 后一项

• 列表初始化：

  • 列表索引项指向末尾迷你列表项
  • 列表末尾项值设为portMAX_DELAY
  • 列表项末尾迷你列表项首尾相连
  • 列表项个数为0

• 列表项初始化：

  • 初始化列表项归属为NULL，表示不属于任何列表

• 插入（从前往后，升序插入）：

  • 获取列表项值，有序插入
  • 从列表末尾迷你项开始遍历，直到获取到列表项值不大于要插入列表项的最后一个节点
  • 插入列表项
  • 列表项归属设为插入的列表地址
  • 列表项个数++

• 末尾插入(无序插入)：

  • 获取列表当前索引

  • 将要插入节点插入当前索引列表项前面

  • 列表项归属设为插入的列表地址

  • 列表项个数++

• 删除：

  • 删除连接
  • 如果删除节点为列表的索引项，则将前一项作为索引项
  • 将删除节点归属列表设为NULL
  • 列表项个数–

• 遍历：(用于从多个同优先级的就绪任务中查找下一个要运行的任务)

  • 列表索引项指向当前索引项下一个节点
  • 如果下一个节点为列表末尾迷你项，则再跳至下一个

• FreeRTOS存在的列表：

  • pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]：无序插入

    就绪列表数组，每个元素为不同优先级的列表，共有configMAX_PRIORITIES个元素

  • xDelayedTaskList1：延时列表1，有序插入

  • xDelayedTaskList2：延时列表2，有序插入

  • pxDelayedTaskList：指向延时列表的指针

  • pxOverflowDelayedTaskList：指向滴答定时器溢出后延时列表的指针

    维护两个延时列表，为了处理系统滴答定时器溢出问题

  • xPendingReadyList，无序插入

    挂起就绪列表，任务进入就绪态，但调度器未开启的列表

  • xTasksWaitingTermination，无序插入

    等待空闲任务删除的任务列表

  • xSuspendedTaskList，无序插入

    挂起列表

• FreeRTOS任务控制块中的列表项：

  • 状态列表项：存储任务阻塞时间信息
  • 事件列表项：存储任务优先级信息

7. 调度原理

• 两条原则

  • 高优先级抢占低优先级任务，系统永远执行最高优先级的任务
  • 同等优先级的任务轮转调度

• 调度：切换不同任务让cpu运行。1.执行系统调用时进行切换；2.滴答定时器中断服务函数中切换

  • 挂起PendSV来启动中断，再PendSV中断服务函数中进行任务切换

  • PendSV中断服务函数：

    __asm void xPortPendSVHandler( void )
    {
        保存上一个任务的上下文(到任务堆栈中);
        调用 vTaskSwitchContext() 查找下一个要运行任务;
        加载要运行的任务的上下文信息(开始运行);
    }
    

  • vTaskSwitchContext()函数：

    void vTaskSwitchContext( void )
    {
        if (调度器挂起)
        {
            将 xYieldPending 置为 pdTrue 表示需要切换;
        }
        else (未挂起)
        {
    		(计算任务运行时间，调试用);
    		(检测栈溢出，调试用);
    		调用 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()，查找处于就绪态的最高优先级任务;
        }
    }
    

• 抢占式调度

  • 查找处于就绪态最高优先级任务 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()

    taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()
    {
        通过计算前导零方式，得到处于就绪态的最高优先级;
        在该优先级任务列表中利用 listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()，获取列表索引的下一个节点;
        取出该节点设为当前任务 pxCurrentTCB;
    }
    

  • 计算前导零方式：

    维护全局变量uxTopReadyPriority，每个bit代表一个优先级某个优先级存在就绪任务时，将相应bit置1

    • clz( uxTopReadyPriority ) 用于计算前导0的个数
    • uxTopPriority=（31-__clz( uxTopReadyPriority )）获取当前就绪的最高优先级

• 时间片调度

  • Round-robin 调度算法

• 维护的全局变量

  • pxCurrentTCB：当前运行任务的控制块
    • 在任务切换函数中，直接将下一个需要运行的任务控制块赋给该值
  • uxTopReadyPriority：当前就绪的最高优先级标志
    • 32bit 无符号整数
    • 每一个位标记一个优先级
    • 某优先级有就绪任务，则会将该变量的相应bit置1
  • xYieldPending
    • bool类型
    • 表示调度器恢复后需要进行任务切换标志

8. 时间管理

• 系统滴答定时器中断服务函数 xPortSysTickHandler()

  void xPortSysTickHandler( void )
  {
      关闭全局中断;
      if (调用xTaskIncrementTick()==pdTrue)
      {
          则挂起PendSV，进行一次切换;
      }
      关闭全局中断;
  }
  

• 系统时钟节拍函数 xTaskIncrementTick()：

  维护全局变量 xTickCount，

  维护全局变量 uxPendedTicks： 如果任务调度器被挂起，则更新uxPendedTicks值，当恢复调度时，xTaskResumeAll() 会调用uxPendedTicks次本函数，恢复 xTickCount 的值

  BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
  {
      if (调度器未挂起)
      {
          xTickCount++;
          if (xTickCount==0，发生溢出)
          {
              延时列表进行交换;
          }
          if ((当前时刻) >= (下一个任务取消阻塞的时刻))
          {
              for(;;)
              {  
                  //一直循环直到延时列表为空 或 延时列表下个任务未到唤醒时刻
                  if (延时列表为空)
                  {
                  	设置下一个任务取消阻塞的时刻为portMAX_DELAY;
                      break;
                  }
              	else (延时列表不为空)
                  {
                      找到延时列表索引项的下一个节点任务;
                      if ((该节点任务的醒来时刻) 大于 (当前时刻))
                      {
                          未到唤醒点,更新下一个任务取消阻塞的时刻;
                          break;
                      }
                      从延时列表中移除该任务;
                      if (任务在等待事件)
                          从事件的等待列表中删除任务;
                      
                      //抢占式调度
                      将任务加入相应的优先级就绪列表;
                      
                      if ((唤醒任务的优先级)>= (当前任务优先级))
                      {
                          返回值设为 pdTrue;//需要切换
                      }
                  }
              } 
          }
          
          //时间片轮转调度
          if (当前任务所在优先级列表下存在其他任务)
          {
              返回值设为 pdTrue;//需要切换
          }
          
          执行节拍钩子函数;
      }
      else (调度器被挂起)
      {
          uxPendedTicks++;
          
          执行节拍钩子函数;
          
          if(xYieldPending == True)
          {
              返回值设为 pdTrue;//需要切换
          }
      }
  }
  

• 维护的全局变量

  • xTickCount：系统时钟节拍
  • uxPendedTicks：调度器挂起时，调用 xTaskIncrementTick() 函数的次数
    • 当调度器恢复时，将调用 uxPendedTicks 次 xTaskIncrementTick() 函数以恢复调度
  • xNextTaskUnblockTime：下一个任务解除阻塞的时刻

9. 启动分析

• 调度器开启函数vTaskStartScheduler()

  void vTaskStartScheduler( void )
  {
      以最低优先级（静态/动态）创建空闲任务(如果使能静态分配内存，优先以静态方式创建);
      
      if(使能 软件定时器)
          创建软件定时器任务;
      
      关闭全局中断;
      
      //设置下一个任务取消阻塞的时刻为 portMAX_DELAY;
      xNextTaskUnblockTime=portMAX_DELAY;
      
      //设置调度器标志位 
      xSchedulerRunning = pdTRUE;
      
      //初始化系统节拍
      xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
      
      if(使能 时间统计功能)
          //需要自实现用于初始化定时器
          portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
      
      //初始化设置硬件（滴答定时器/FPU单元/PendSV中断)
  	xPortStartScheduler();
  }
  

• xPortStartScheduler()

  BaseType_t xPortStartScheduler( void )
  {
      计算优先级相关寄存器;
      设定PendSV与滴答定时器中断为最低优先级;
      
      //开启滴答定时器 
      vPortSetupTimerInterrupt();
      
      //初始化临界区嵌套计数
      uxCriticalNesting = 0;
      
      //启动第一个任务
      prvStartFirstTask() 
  }
  

• vPortSetupTimerInterrupt()

  void vPortSetupTimerInterrupt( void )
  {
  #if(使能 低功耗模式)
      {
          计算相关变量;
      }
  #endif    
      暂停并清零滴答定时器;
      
      //设定滴答定时器中断频率 configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ
      portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
      开启滴答定时器;
  }
  

• prvStartFirstTask()

  __asm void prvStartFirstTask( void )
  {
      复位MSP主堆栈指针（中断函数、中断嵌套使用）;
      
      开启PRIMASK, FAULTMASK中断;
      
      //只此一次 SVC调用
      调用SVC指令，触发中断;
  }
  

• SVC中断服务函数 vPortSVCHandler()

  __asm void vPortSVCHandler( void )
  {
      获取 pxCurrentTCB 的任务指针 到 r3;
      获取任务指针值 到 r1;
      获取任务堆栈指针 到 r0;
      手动出栈 r4-r11，恢复现场;
      将任务堆栈指针 赋给 进程堆栈指针PSP;
      打开全局中断;
      调转开始执行;
  }
  

10. 内核函数分析

• 任务创建函数 xTaskCreate()

  xTaskHandler_t xTaskCreate()
  {
      为任务堆栈和任务控制块TCB申请内存;
      //初始化TCB中的各个字段
      prvInitialiseNewTask() ;
      //将任务加入到就绪列表中
      prvAddNewTaskToReadyList();
  }
  

• 任务初始化函数 prvInitialiseNewTask()

  • （如果使能堆栈溢出检测或追踪，将任务堆栈全部赋值为 0xa5）
  • 计算堆栈栈顶 pxTopOfStack
  • 初始化任务名
  • 初始化任务优先级
  • （如果 使用互斥信号量，初始化相应字段）
  • 初始化状态列表项与事件列表项
  • （如果有使用其他资源，初始化相应字段）
  • 调用 pxPortInitialiseStack() 函数初始化任务堆栈
  • 生成任务句柄，指针指向任务控制块

• 任务堆栈初始化函数 pxPortInitialiseStack()

  • 按照 xPSR、 R15(PC)、 R14(LR)、 R12、 R3~R0、 R11~R14 保存到任务堆栈中

• 添加新任务到就序列表函数 prvAddNewTaskToReadyList()

  • 进入临界区
  • 现存任务数++
  • 如果 当前任务 为 NULL
    • 将 新任务 设为 当前任务
    • 如果 现存任务数 为 1
      • 初始化任务列表
  • 当前任务 不为 NULL
    • 如果 调度器未运行
      • 如果 当前任务优先级 <= 新任务优先级
        • 将 新任务 设为 当前任务
  • 总任务数++
  • （如果使能任务追踪，给任务控制块相应字段赋予 总任务数，用作编号）
  • 将当前任务加入就绪表
  • 离开临界区
  • 如果 调度器正在运行
    • 如果 当前任务优先级 < 新任务优先级
      • 标记需要进行一次任务切换（挂起PendSV中断）

• 添加任务到就绪表宏 prvAddTaskToReadyList()

  • uxTopReadyPriority 记录任务优先级
  • 调用 vListInsertEnd() 无序插入至对应优先级就绪表，列表项为任务的状态列表项

• 任务删除 xTaskDelete()

  • 进入临界区
  • 获取任务控制块
  • 从就绪表中删除任务列表项
  • 处理优先级记录uxTopReadyPriority
  • 如果 任务在等待事件
    • 从事件的等待列表中删除
  • 总任务数++，重新生成任务列表
  • 如果 要删除的任务 是 当前任务
    • 将任务 加入 等待删除列表（等待空闲任务释放任务内存）
    • 增加 ucTasksDeleted 变量
    • 调用任务删除钩子函数（需自实现）
  • 不是当前任务
    • 现存任务数–
    • 调用 prvDeleteTCB() 释放任务内存
    • 重新计算下个任务解除阻塞时刻
  • 离开临界区
  • 如果调度器正在运行
    • 如果 删除的任务 是当前任务
      • 挂起PendSV中断进行任务切换

• 任务挂起

  • 进入临界区
  • 获取任务控制块
  • 从列表中删除任务列表项
  • 处理优先级记录uxTopReadyPriority
  • 如果 任务在等待事件
    • 从事件的等待列表中删除
  • 将任务加入挂起列表中，无序插入
  • 如果任务等待通知
    • 将任务控制块等待通知字段设为不等待
  • 离开临界区
  • 如果调度器正在运行
    • 进入临界区
    • 重新计算下个任务解除阻塞时刻
    • 离开临界区

  • 如果 挂起的任务是当前任务

  • 挂起任务不是当前任务

• 任务恢复

11. 队列

12. 信号量

13. 软件定时器

14. 事件组

15. 任务通知