多优先级任务

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本文探讨了嵌入式实时操作系统(RTOS)中多优先级任务的管理方法，包括设计目标、优先级原理及其实现细节。通过添加优先级字段、位图表并修改任务初始化、延迟和系统节拍处理等函数，实现了高效的多任务调度。

文章目录

- 1 多优先级任务

1 多优先级任务

1.1 设计目标

问题引入：

任务数量无限，而资源有限。当多个任务在等待同一资源/事件时，如果资源/事件不能在任务间共享，应该有哪个任务来处理？

1.2 优先级原理

在此我们只讨论CPU占用的优先级：

RTOS维护一个就绪表，每个表项对应一个任务，对应一种优先级。就绪表指明哪些优先级的任务等待占用CPU运行。
为便于快速找到优先级更高的任务运行，使用了就绪位置标记就绪，快速查找。

1.3 设计实现

添加优先级字段：
在这里插入图片描述
添加优先级位图表：

添加获取当前最高优先级任务的函数：

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskHighestReady
** Descriptions         :   获取当前最高优先级且可运行的任务
** parameters           :   无
** Returned value       :   优先级最高的且可运行的任务
***********************************************************************************************************/
tTask * tTaskHighestReady (void) 
{
    uint32_t highestPrio = tBitmapGetFirstSet(&taskPrioBitmap);
    return taskTable[highestPrio];
}

修改任务初始化函数：

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskInit
** Descriptions         :   初始化任务结构
** parameters           :   task        要初始化的任务结构
** parameters           :   entry       任务的入口函数
** parameters           :   param       传递给任务的运行参数
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskInit (tTask * task, void (*entry)(void *), void *param, uint32_t prio, uint32_t * stack)
{
    // 为了简化代码，tinyOS无论是在启动时切换至第一个任务，还是在运行过程中在不同间任务切换
    // 所执行的操作都是先保存当前任务的运行环境参数（CPU寄存器值）的堆栈中(如果已经运行运行起来的话)，然后再
    // 取出从下一个任务的堆栈中取出之前的运行环境参数，然后恢复到CPU寄存器
    // 对于切换至之前从没有运行过的任务，我们为它配置一个“虚假的”保存现场，然后使用该现场恢复。

    // 注意以下两点：
    // 1、不需要用到的寄存器，直接填了寄存器号，方便在IDE调试时查看效果；
    // 2、顺序不能变，要结合PendSV_Handler以及CPU对异常的处理流程来理解
    *(--stack) = (unsigned long)(1<<24);                // XPSR, 设置了Thumb模式，恢复到Thumb状态而非ARM状态运行
    *(--stack) = (unsigned long)entry;                  // 程序的入口地址
    *(--stack) = (unsigned long)0x14;                   // R14(LR), 任务不会通过return xxx结束自己，所以未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x12;                   // R12, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x3;                    // R3, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x2;                    // R2, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x1;                    // R1, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)param;                  // R0 = param, 传给任务的入口函数
    *(--stack) = (unsigned long)0x11;                   // R11, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x10;                   // R10, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x9;                    // R9, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x8;                    // R8, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x7;                    // R7, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x6;                    // R6, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x5;                    // R5, 未用
    *(--stack) = (unsigned long)0x4;                    // R4, 未用

    task->stack = stack;                                // 保存最终的值
    task->delayTicks = 0;
    task->prio = prio;                                  // 设置任务的优先级

    taskTable[prio] = task;                             // 填入任务优先级表
    tBitmapSet(&taskPrioBitmap, prio);                  // 标记优先级位置中的相应位
}

修改tTaskDelay函数：

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskDelay
** Descriptions         :   使当前任务进入延时状态。
** parameters           :   delay 延时多少个ticks
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskDelay (uint32_t delay) {
   // 配置好当前要延时的ticks数
    uint32_t status = tTaskEnterCritical();
    currentTask->delayTicks = delay;
    tBitmapClear(&taskPrioBitmap, currentTask->prio);
    tTaskExitCritical(status);

    // 然后进行任务切换，切换至另一个任务，或者空闲任务
    // delayTikcs会在时钟中断中自动减1.当减至0时，会切换回来继续运行。
    tTaskSched();
}

修改tTaskSystemTickHandler函数：

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskSystemTickHandler
** Descriptions         :   系统时钟节拍处理。
** parameters           :   无
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSystemTickHandler () 
{
    // 检查所有任务的delayTicks数，如果不0的话，减1。
    int i;   
    uint32_t status = tTaskEnterCritical();

    for (i = 0; i < TINYOS_PRO_COUNT; i++) 
    {
        if (taskTable[i]->delayTicks > 0)
        {
            taskTable[i]->delayTicks--;
        }
        else 
        {
            tBitmapSet(&taskPrioBitmap, i);
        }
    }
    tTaskExitCritical(status);

    // 这个过程中可能有任务延时完毕(delayTicks = 0)，进行一次调度。
    tTaskSched();
}

修改调度算法：

/**********************************************************************************************************
** Function name        :   tTaskSched
** Descriptions         :   任务调度接口。tinyOS通过它来选择下一个具体的任务，然后切换至该任务运行。
** parameters           :   无
** Returned value       :   无
***********************************************************************************************************/
void tTaskSched (void) 
{   
    tTask * tempTask;

    // 进入临界区，以保护在整个任务调度与切换期间，不会因为发生中断导致currentTask和nextTask可能更改
    uint32_t status = tTaskEnterCritical();

    // 如何调度器已经被上锁，则不进行调度，直接退bm
    if (schedLockCount > 0) 
    {
        tTaskExitCritical(status);
        return;
    }

    // 找到优先级最高的任务，如果其优先级比当前任务的还高，那么就切换到这个任务
    tempTask = tTaskHighestReady();
    if (tempTask != currentTask) 
    {
        nextTask = tempTask;
        tTaskSwitch();   
    }

    // 退出临界区
    tTaskExitCritical(status); 
}