FreeROTS原理学习笔记

最新推荐文章于 2025-02-21 15:56:13 发布

小瘦子的大瘦子

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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/a641688/article/details/102669792

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前言：这仅是一篇学习笔记记录，无指导意义。想详细了解的人可看优快云博主「zhzht19861011」的原创文章。
FreeROTS系统：
使用习惯：
1.一般来说，都是利用下载好的例程进行修改。其中注意的文件有heap1~5.c和配置头文件FreeROTSConfig.h，利用宏定义对系统功能进行对应的裁剪。
使用过程：
2.创建任务
①使用的时候，会用到任务名（描述），任务堆栈大小，任意指针（常用于参数传递给任务），优先级（值小级别高），任务句柄（可用该句柄引用任务）参数。
②堆栈空间太小时，会直接报错误，可通过Debug调试的API接口进行监控剩余未用堆栈大小，仅用于Debug。
③创建的内容，主要包括了TCB结构体，该数据结构由列表和列表项构成，包含了任务的信息，状态（挂起，运行，就绪），优先级（可能做了大小值处理，值小优先级高，如CortexM3）等等信息。这个过程，默认是动态生成空间的，但也有静态生成的，需调用对应static的API创建函数。一般来说，任务都是一个死循环函数。

 typedef struct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t    *pxTopOfStack; /*当前堆栈的栈顶,必须位于结构体的第一项*/
  #if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
        xMPU_SETTINGS   xMPUSettings;      /*MPU设置,必须位于结构体的第二项*/
    #endif
 
    ListItem_t          xStateListItem; /*任务的状态列表项，以引用的方式表示任务的状态*/
    ListItem_t          xEventListItem;    /*事件列表项，用于将任务以引用的方式挂接到事件列表*/
    UBaseType_t         uxPriority;        /*保存任务优先级，0表示最低优先级*/
    StackType_t         *pxStack;           /*指向堆栈的起始位置*/
    char               pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/*任务名字*/
 
    #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
        StackType_t     *pxEndOfStack;     /*指向堆栈的尾部*/
    #endif
 
    #if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
        UBaseType_t     uxCriticalNesting; /*保存临界区嵌套深度*/
    #endif
 
    #if ( configUSE_TRACE_FACILITY == 1 )
        UBaseType_t     uxTCBNumber;       /*保存一个数值，每个任务都有唯一的值*/
        UBaseType_t     uxTaskNumber;      /*存储一个特定数值*/
    #endif
 
    #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
        UBaseType_t     uxBasePriority;    /*保存任务的基础优先级*/
        UBaseType_t     uxMutexesHeld;
    #endif
 
    #if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
        TaskHookFunction_t pxTaskTag;
    #endif
 
    #if( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS > 0 )
        void *pvThreadLocalStoragePointers[configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS ];
    #endif
 
    #if( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        uint32_t        ulRunTimeCounter;  /*记录任务在运行状态下执行的总时间*/
    #endif
 
    #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        /* 为任务分配一个Newlibreent结构体变量。Newlib是一个C库函数，并非FreeRTOS维护，FreeRTOS也不对使用结果负责。如果用户使用Newlib，必须熟知Newlib的细节*/
        struct _reent xNewLib_reent;
    #endif
 
    #if( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
        volatile uint32_t ulNotifiedValue; /*与任务通知相关*/
        volatile uint8_t ucNotifyState;
    #endif
 
    #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
        uint8_t ucStaticAllocationFlags; /* 如果堆栈由静态数组分配，则设置为pdTRUE，如果堆栈是动态分配的，则设置为pdFALSE*/
    #endif
 
    #if( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
        uint8_t ucDelayAborted;
    #endif
    } tskTCB;

typedef tskTCB TCB_t;

3.开始任务调度
1.任务调度之前会先创建一个空闲任务，该任务优先级最低，常用于回收任务。若是空间不足以创建空闲任务，则会执行失败，并立即返回。之后会根据任务优先级，执行当前最高优先级任务，低优先级任务进入就绪状态，同时数据进入堆栈。
2.task.c文件中定义了一个任务TCB指针变量pxCurrentTCB，指向当前运行的任务。在任务调度之前，该指针指向优先级最高的任务，即每次创建任务都会进行一次判断，只要优先级高于pxCurrentTCB指向的任务，pxCurrentTCB就指向高优先级任务。
3.调度器是FreeRTOS操作系统的核心，主要负责任务切换，即找出最高优先级的就绪任务，并使之获得CPU运行权。调度器并非自动运行的，需要人为启动它。
API函数vTaskStartScheduler()用于启动调度器，它会创建一个空闲任务、初始化一些静态变量，最主要的，它会初始化系统节拍定时器并设置好相应的中断，然后启动第一个任务。

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
    #if(configASSERT_DEFINED == 1 )
    {
        volatile uint32_tulOriginalPriority;
        /* 中断优先级寄存器0:IPR0 */
        volatile uint8_t * constpucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) (portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 +portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER );
        volatile uint8_tucMaxPriorityValue;
 
        /* 这一大段代码用来确定一个最高ISR优先级,在这个ISR或者更低优先级的ISR中可以安全的调用以FromISR结尾的API函数.*/
       
        /* 保存中断优先级值,因为下面要覆写这个寄存器(IPR0) */
       ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister;
 
        /* 确定有效的优先级位个数. 首先向所有位写1,然后再读出来,由于无效的优先级位读出为0,然后数一数有多少个1,就能知道有多少位优先级.*/
        *pucFirstUserPriorityRegister= portMAX_8_BIT_VALUE;
       ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;
 
        /* 冗余代码,用来防止用户不正确的设置RTOS可屏蔽中断优先级值 */
       ucMaxSysCallPriority =configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY &ucMaxPriorityValue;
 
        /* 计算最大优先级组值 */
       ulMaxPRIGROUPValue =portMAX_PRIGROUP_BITS;
        while( (ucMaxPriorityValue &portTOP_BIT_OF_BYTE ) ==portTOP_BIT_OF_BYTE )
        {
           ulMaxPRIGROUPValue--;
           ucMaxPriorityValue <<= ( uint8_t ) 0x01;
        }
       ulMaxPRIGROUPValue <<=portPRIGROUP_SHIFT;
       ulMaxPRIGROUPValue &=portPRIORITY_GROUP_MASK;
 
        /* 将IPR0寄存器的值复原*/
        *pucFirstUserPriorityRegister= ulOriginalPriority;
    }
    #endif /*conifgASSERT_DEFINED */
 
    /* 将PendSV和SysTick中断设置为最低优先级*/
   portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_PENDSV_PRI;
   portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_SYSTICK_PRI;
 
    /* 启动系统节拍定时器,即SysTick定时器,初始化中断周期并使能定时器*/
   vPortSetupTimerInterrupt();
 
    /* 初始化临界区嵌套计数器 */
   uxCriticalNesting = 0;
 
    /* 启动第一个任务 */
   prvStartFirstTask();
 
    /* 永远不会到这里! */
    return 0;
}

4.在Cortex-M3架构中，FreeRTOS为了任务启动和任务切换使用了三个异常：SVC、PendSV和SysTick。SVC（系统服务调用），有些操作系统不允许应用程序直接访问硬件，而是提供一些系统服务函数，通过SVC调用。PendSV（可挂起系统调用），用于任务切换，当有优先级高的任务就绪时，当前任务会等待高优先级任务完成后再继续当前任务。SysTick提供一个时钟片，若优先级相同，每次中断，下一个任务将会获得一个时间片的CPU时间。
5. 启动第一个任务，调用函数 prvStartFirstTask，代码如下：

	__asm void prvStartFirstTask( void )
{
    PRESERVE8
 
    /* Cortext-M3硬件中,0xE000ED08地址处为VTOR(向量表偏移量)寄存器,存储向量表起始地址*/
    ldr r0, =0xE000ED08    
    ldr r0, [r0]
    /* 取出向量表中的第一项,向量表第一项存储主堆栈指针MSP的初始值*/
    ldr r0, [r0]   
 
    /* 将堆栈地址存入主堆栈指针 */
    msr msp, r0
    /* 使能全局中断*/
    cpsie i
    cpsie f
    dsb
    isb
    /* 调用SVC启动第一个任务 */
    svc 0
    nop
    nop
}

6.SVC 0触发SVC中断，中断的内容如下，中断完成后，第一个任务即被执行。

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
    PRESERVE8
 
    ldr r3, =pxCurrentTCB   /* pxCurrentTCB指向处于最高优先级的就绪任务TCB */
    ldr r1, [r3]            /* 获取任务TCB地址 */
    ldr r0, [r1]            /* 获取任务TCB的第一个成员,即当前堆栈栈顶pxTopOfStack */
    ldmia r0!, {r4-r11}     /* 出栈,将寄存器r4~r11出栈 */
    msr psp, r0             /* 最新的栈顶指针赋给线程堆栈指针PSP */
    isb
    mov r0, #0
    msr basepri, r0
    orrr14, #0xd           /* 这里0x0d表示:返回后进入线程模式,从进程堆栈中做出栈操作,返回Thumb状态*/
    bx r14
}

7.任务切换，FreeRTOS有两种方法触发任务切换：
①执行系统调用，比如普通任务可以使用taskYIELD()强制任务切换，中断服务程序中使用portYIELD_FROM_ISR()强制任务切换；
②系统节拍时钟中断
当在Cortex-M3中，都是调用PendSV切换上下文，在PendSV中断服务函数中，找到最高优先级的任务，并让CPU执行他。而这两种方法都是在使能PendSV中断，PendSV中断的产生是通过代码：portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT实现的，它向中断状态寄存器bit28位写入1，将PendSV中断设置为挂起状态，等到优先级高于PendSV的中断执行完成后，PendSV中断服务程序将被执行，进行任务切换工作。
8.PendSV中断服务函数流程

在这里插入图片描述