嵌入式操作系统之时钟节拍下的任务切换

嵌入式操作系统如FreeRTOS。FreeRTOS 中任务切换的过程，提到触发任务切换的两种情况：高优先级任务就绪抢占和同优先级任务时间共享（包括提前挂起）。系统中，时间延时和任务阻塞，时间片都以 Systick 为单位。通过设置文件 FreeRTOSConfig.h 中 configTICK_RATE_HZ 设置任务节拍中断频率，在启动任务调度器时，系统会根据另一个变量， CPU 的频率configCPU_CLOCK_HZ 计算对应写入节拍计数器的值，启动定时器中断。

系统在每一次节拍计数器中断服务程序xPortSysTickHandler(平台实现 port.c 中) 中调用处理函数 xTaskIncrementTick, 依据该函数返回值判断是否需要触发 PendSV 异常，进行任务切换。
涉及任务时间片轮循，任务阻塞超时，以及结束以此实现的延时函数。

分析的源码版本是 v9.0.0

xTaskIncrementTick()

系统每次节拍中断服务程序中主要任务由函数 xTaskIncrementTick 完成。
在任务调度器没有挂起的情况下（ xTaskIncrementTick ！= pdFALSE ），该函数主要完成：
* 判断节拍计数器xTickCount 是否溢出，溢出轮换延时函数队列
* 判断是否有阻塞任务超时，取出插入就绪链表
* 同优先级任务时间片轮

而当任务调度器被挂起时，该函数累加挂起时间计数器 uxPendedTicks，调用用户钩子函数，此时，正在运行的任务不会被切换，一直运行。
当恢复调度时，系统会先重复调用 xTaskIncrementTick 补偿（uxPendedTicks次）。

不管, 系统调度器是否挂起，每次节拍中断都会调用用户的钩子函数 vApplicationTickHook。由于函数是中断中调用，不要在里面处理太复杂的事情！！

节拍计数器溢出

涉及的变量, 定义在 task.c开头。

PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1;
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxDelayedTaskList;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;

初始化时， pxDelayedTaskList 指向 xDelayedTaskList1， pxOverflowDelayedTaskList 指向 pxOverflowDelayedTaskList，一开始我还在郁闷延时链表为什么要两个，到这里才明白。

当任务由于等待事件（延时，消息队列什么的堵塞）时，会设置一个时间，这时候，响应的任务会被挂到延时链表中，如果超过设置时间没有事件响应，则系统会从延时链表中取出任务恢复就绪。
系统任务延时参考系统节拍计数器 xTickCount，加入链表前依据当前计数器的值计算出超时的值（ xTickCount+ xTicksToDelay ），顺序插入到延时链表中。

对不同平台xTickCount 表示的位数不同，但是每次节拍中断加一，总会溢出。上述计算任务延时时间，如果系统发现计算出来的时间已经溢出，则会将该任务加入到 pxOverflowDelayedTaskList 这个链表中。
在系统节拍中断时，节拍计数器每次加一，系统判断是否溢出，如果溢出，调用宏 taskSWITCH_DELAYED_LISTS()切换上述的链表指针。
宏主要实现如下：

pxTemp = pxDelayedTaskList;
pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList;
pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp;
xNumOfOverflows++;
prvResetNextTaskUnblockTime();

这就是设置两个链表的原因，轮流倒应对计数器的溢出。

唤醒超时任务

全局变量 xNextTaskUnblockTime 记录下一个需要退出延时链表的任务时间，因此，接下来判断当前时间，延时链表中是否有任务需要推出阻塞状态。

if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
{
for ( ;; ) {
// 取出唤醒任务，推进就绪链表
}
}

对应的，把所有阻塞时间达到的任务取出，推入到就绪链表，更新下一个任务解除时间给变量 xNextTaskUnblockTime。

任务时间片轮循

处理完延时任务后，开始判断当前运行任务，对应优先级链表中是否有其他任务就绪，如果有，需要保证每个任务都能获得运行时间，标记需要任务切换，作为函数返回。

完整函数

完整函数注释如下，

BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t * pxTCB;
TickType_t xItemValue;
BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;
traceTASK_INCREMENT_TICK( xTickCount );
// 调度器正在运行
if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
{
// 节拍计数器递增 1
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
xTickCount = xConstTickCount;
if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U )
{
// 节拍计数器溢出
// 比如32位 0xFFFFFFFF + 1 -> 0
// 延时链表切换
taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
{
for( ;; )
{
if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
{
// 没有任务延时，时间设置"无穷大" 退出循环
xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
break;
}
else
{
// 取出延时链表头任务 TCB
pxTCB = (TCB_t *)listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
// 取该任务延时值
xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE(&(pxTCB->xStateListItem));
// 判断任务是否超时
if( xConstTickCount < xItemValue )
{
// 任务还没到时间，更新全局变量
// 直接退出
xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
break;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
// 任务恢复就绪，从堵塞的链表中删除
( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL )
{
( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
// 插入就绪链表等待被执行
prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
// 如果系统允许抢占
#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 )
{
// 如果新就绪任务优先级高于当前任务
// 标记需要切换任务
if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority )
{
xSwitchRequired = pdTRUE;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* configUSE_PREEMPTION */
}
}
}
// 同优先级任务时间轮
#if ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) )
{
if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ pxCurrentTCB->uxPriority ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 )
{
xSwitchRequired = pdTRUE;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ) */
// 用户钩子函数
#if ( configUSE_TICK_HOOK == 1 )
{
if( uxPendedTicks == ( UBaseType_t ) 0U )
{
vApplicationTickHook();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* configUSE_TICK_HOOK */
}
else
{
// 记录调度器被挂起器件节拍中断次数
// 恢复后用于补偿，执行本函数 uxPendedTicks 次先
++uxPendedTicks;
#if ( configUSE_TICK_HOOK == 1 )
{
vApplicationTickHook();
}
#endif
}
// 函数返回值，如果为 pdTRUE，
// 则调用的系统节拍中断会触发 PendSV 异常，任务切换
#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) // 允许抢占
{
// 其他地方标记需要执行一次任务切换
// 所以不管前面需不需要这里都会返回需要切换
if( xYieldPending != pdFALSE )
{
xSwitchRequired = pdTRUE;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* configUSE_PREEMPTION */
return xSwitchRequired;
}

系统延时函数

任务执行过程中需要使用到延时函数进行延时，使用系统提供的延时函数可以将当前任务挂起，让出CPU 使用时间，当时间到达的时候，有系统恢复任务运行。 FreeRTOS 提供两种类型的延时函数

普通延时函数 vTaskDelay

一般情况下，需要延时一定时间，就调用此函数，将需要的延时时间转换为对应系统节拍数传递（如宏pdMS_TO_TICKS（）），之后，当前任务会从就绪链表移除，加入到延时链表中，系统会在节拍中断中检查是否到达延时时间，重新恢复任务就绪。

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay );

该函数调用到另一个函数是 prvAddCurrentTaskToDelayedList，将任务加入到延时链表中，函数中会判断设定时间是否溢出，选择加入到对应的延时链表，同上提到计数器溢出的问题。

循环延时函数 vTaskDelayUntil

相比上面的普通延时函数，这个函数适用于任务周期性执行的。
举个例子说明下，有一个任务，需要周期性 500ms 读取一次传感器数据，用上例子可以这么写：

void vTASKReadSensor(void *pvParameters)
{
// 500ms 转换为节拍
const portTickType xDelay = pdMS_TO_TICKS(500);
for( ;; )
{
readSensor();
vTaskDelay( xDelay );
}
}

看起来是周期性 500 ms 执行，但是考虑，如果任务由于优先级比较低之类的问题，在延时返回就绪状态后没有及时被运行，那么实际时间就开始飘了。
如果使用函数 vTaskDelayUntil，

void vTaskDelayUntil( TickType_t * const pxPreviousWakeTime, const TickType_t xTimeIncrement )

多了一个参数 pxPreviousWakeTime，就不会有这个问题了
先看以下如何使用：

void vTASKReadSensor(void *pvParameters)
{
const portTickType xDelay = pdMS_TO_TICKS(500);
static portTickType xLastWakeTime;
// 记录第一次调用函数的时间，后续该变量由延时函数自己叠加
xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();
for( ;; )
{
readSensor();
vTaskDelayUntil( xDelay );
}
}

周前性执行前调用一个变量，获取当前节拍计数器，简单认为是第一次调用的时间，而后开始周期性执行，传入的变量第一次由我们设置后，后续会由函数自动更新。
比如，我们在SystickCount 为 0 开始延时，在500 返回读取数据，再延时，和上一个例子一样，当 500 延时后返回，调度原因延迟，等到 600 才读取数据并开始下一次延时，这里，这个函数不同地方在于，他会考虑这延迟的 100，而第二次延时的时间，其实还是从 500 开始算的，也就是， 1000 的时候，任务延时第二次就结束了，而不是等到 1100 。

由于涉及到任务调度，所以，理论上来说，两个函数定时都是”不住确”的。时间单位是系统节拍！

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