FreeRTOS个人笔记-任务延时列表的实现
根据个人的学习方向，学习FreeRTOS。由于野火小哥把FreeRTOS讲得比较含蓄，打算在本专栏尽量细化一点。作为个人笔记，仅供参考或查阅。
配套资料：FreeRTOS内核实现与应用开发实战指南、野火FreeRTOS配套视频源码、b站野火FreeRTOS视频。搭配来看更佳哟！！！
任务延时列表的实现
在本节之前，为了实现任务的堵塞延时，在任务控制块中内置了一个延时变量，xTickToDelay。
每当任务需要延时时，就初始化xTickToDelay需要延时的时间，然后将任务挂起(只是将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应的位清零)，并不会将任务从就绪列表中删除。
当每次时基中断（SysTick中断）来临时，就扫描就绪列表中每个任务的xTickToDelay。如果xTickToDelay大于0就递减一次，然后判断xTickToDelay是否为0，如果为0则表示延时时间到，将该任务就绪(将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应的位置1)，然后进行任务切换。
这种延时的缺点是，在每个时基中断（SysTick中断）中需要对所有任务都扫描一遍，费时。优点是容易理解。
任务延时列表的工作原理
在FreeRTOS中，有两个任务延时列表。
当任务需要延时时，则先将任务挂起，即先将任务从就绪列表删除，然后插入到任务延时列表，同时更新下一个任务的解锁时刻变量：xNextTaskUnblockTime的值。
xNextTaskUnblockTime的值等于系统时基计数器的值xTickCount加上任务需要延时的值xTicksToDelay。即xNextTaskUnblockTime=xTickCount+xTicksToDelay。
当系统时基计数器xTickCount=xNextTaskUnblockTime时，就表示有任务延时到期了，需要将该任务就绪。与RT-Thread和uC/OS在解锁延时任务时要扫描定时器列表这种时间不确定性的方法相比，FreeRTOS这个xNextTaskUnblockTime全局变量设计的非常巧妙。
任务延时列表维护着一条双向链表，每个节点代表了正在延时的任务，节点按照延时时间大小做升序排列。当每次时基中断（SysTick中断）来临时，就拿系统时基计数器的值xTickCount与下一个任务的解锁时刻变量xNextTaskUnblockTime的值相比较，如果相等，则表示有任务延时到期，需要将该任务就绪，否则只是单纯地更新xTickCount的值，然后进行任务切换。
实现任务延时列表
任务延时列表及其指针
//当系统时基计数器xTickCount没有溢出时，用一条列表。当xTickCount溢出时，用另一条列表。
static List_t xDelayedTaskList1; //任务延时列表1
static List_t xDelayedTaskList2; //任务延时列表2
static List_t * volatile pxDelayedTaskList; //任务延时列表指针，指向xTickCount没有溢出时使用的那条列表
static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList; //任务延时列表指针，指向xTickCount溢出时使用的那条列表任务延时列表属于任务列表的一种（目前已经学了就绪列表，延时列表），在prvInitialiseTaskLists()函数中初始化。
/* 初始化任务相关的列表 */
void prvInitialiseTaskLists( void )
{
UBaseType_t uxPriority;
/* 初始化就绪列表 */
for( uxPriority = ( UBaseType_t ) 0U; uxPriority < ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES; uxPriority++ )
{
vListInitialise( &( pxReadyTasksLists[ uxPriority ] ) );
}
vListInitialise( &xDelayedTaskList1 );
vListInitialise( &xDelayedTaskList2 );
pxDelayedTaskList = &xDelayedTaskList1;
pxOverflowDelayedTaskList = &xDelayedTaskList2;
}这里的xDelayedTaskList1作为溢出前，xDelayedTaskList2 作为溢出后。
前面说到的xNextTaskUnblockTime，下一个任务的解锁时刻变量。默认定义为0。
static volatile TickType_t xNextTaskUnblockTime = ( TickType_t ) 0U;xNextTaskUnblockTime在vTaskStartScheduler()函数中初始化为portMAX_DELAY。
portMAX_DELAY这个类型不知道大家还有没有印象，附上图look look。
vTaskStartScheduler()函数如下。
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; //此时xNextTaskUnblockTime为最大值0xffff ffff
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 */
}
}持续迭代修改更新。
vTaskDelay()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;
//不再依赖TCB结构体的延时变量xTicksToDelay
/* 将任务插入到延时列表 */
prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay );
/* 任务切换 */
taskYIELD();
}上面函数用到了prvAddCurrentTaskToDelayedList()函数。
要清楚这么一个过程，prvAddCurrentTaskToDelayedList()函数是任务需要延时，在就绪列表中移除，加入到延时列表中。
prvAddCurrentTaskToDelayedList()函数如下
static void prvAddCurrentTaskToDelayedList( TickType_t xTicksToWait )
{
TickType_t xTimeToWake;
/* 获取系统时基计数器xTickCount的值，xTickCount即SysTick的中断次数 */
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;
/* uxListRemove函数返回链表中剩余节点的个数 */
/* 将任务从就绪列表中移除 */
if( uxListRemove( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) ) == ( UBaseType_t ) 0 )
{
//当前链表下没有任务就绪
/* 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;
/* 此时，任务已经移除就绪列表并已经计算了下一个任务解锁时刻，即当前任务的延时时间xTimeToWake */
/* 初始化节点排序辅助值 */
/* 将延时到期的值设置为节点的排序值 */
/* 最先延时到期的任务排在最前面 */
listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ), xTimeToWake );
/* 假设xTickCount为0xffff fffdUL，xTicksToWait为0x03 */
/* xTimeToWake = 0xffff fffdUL + 0x03 =1 ，则溢出了 */
if( xTimeToWake < xConstTickCount ) /* 溢出 */
{
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( xNextTaskUnblockTime > xTimeToWake )
{
xNextTaskUnblockTime = xTimeToWake;
}
}
}因为 FreeRTOS 支持同一个优先级下可以有多个任务，所以在清除优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位时要判断下该优先级下的就绪列表是否还有其它的任务。
更新下一个任务解锁时刻变量xNextTaskUnblockTime的值，这一步很重要。在后续的xTaskIncrementTick()函数中，我们只需让系统时基计数器xTickCount与xNextTaskUnblockTime的值比较，就知道延时最快结束的任务是否到期。
xTaskIncrementTick()函数产生大变动。xTaskIncrementTick()函数意在延时结束时移除延时列表，回到就绪列表。
void xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t * pxTCB;
TickType_t xItemValue;
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();
}
/* xConstTickCount记录xTickCount计时，当大于等于下一个任务解锁时刻，说明延时结束。移除延时列表，回到就绪列表 */
/* 最近的延时任务延时到期 */
if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
{
for( ;; ) //依次将这些延时到期的任务从延时列表移除
{
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; //退出for循环
}
else /* 延时列表不为空，则有任务在延时 */
{
//获取当前列表下第一个节点的TCB
pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
//获取当前列表下第一个节点的排序值
xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );
if( xConstTickCount < xItemValue )
{
xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
break; /* 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 */
}
/* 将延时到期的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();
}在函数开头，有一个taskSWITCH_DELAYED_LISTS()函数，用于切换延时列表。
//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();\
}xNumOfOverflows为溢出标志位，也算是溢出后列表转换完成位的意思。初始值为0。
static volatile BaseType_t xNumOfOverflows = ( BaseType_t ) 0;上面函数中，用到了prvResetNextTaskUnblockTime()函数
static void prvResetNextTaskUnblockTime( void )
{
TCB_t *pxTCB;
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;
}
else
{
/* 获取延迟列表头部任务的TCB */
( pxTCB ) = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
xNextTaskUnblockTime = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( ( pxTCB )->xStateListItem ) );
}
}位于延迟列表最前面的任务应该从阻塞状态中移除。
在没有添加任务延时列表之前，只有就绪列表。无论任务在延时还是就绪都只能通过扫描就绪列表来找到任务TCB，从而实现系统调度。
在上一节“支持多优先级”中，实现taskRESET_READY_PRIORITY()函数时，不用先判断当前优先级下就绪列表中的链表的节点是否为0，而是直接把任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位清零。因为当前优先级下就绪列表中的链表节点不可能为0。
在本节中，我们额外添加了延时列表，当任务要延时时，将任务从就绪列表中移除，然后添加到延时列表 。同时将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位清零。
在清除任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位时，与上一节不同的是，需要判断就绪列表pxReadyTaskLists[]在当前优先级下对应的链表节点是否为0。
只有当该链表下没有任务时才真正地将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位清零。