整理 野火 《FreeRTOS 内核实现与应用开发实战指南》—基于野火 STM32 全系列（M3/4/7）开发板
第10章 支持多优先级
在 FreeRTOS 中，数字优先级越小，逻辑优先级也越小，这与隔壁的 RT-Thread 和 μC/OS 刚好相反。
10.1 如何支持多优先级
就绪列表 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 是一个数组，数组里面存的是就绪任务的 TCB（准确来说是 TCB 里面的 xStateListItem 节点），数组的下标对应任务的优先级，优先级越低对应的数组下标越小。
任务在创建的时候，会根据任务的优先级将任务插入到就绪列表不同的位置。相同优先级的任务插入到就绪列表里面的同一条链表中，这就是我们下一章要讲解的支持时间片。
pxCurrenTCB 是一个全局的 TCB 指针，用于指向优先级最高的就绪任务的 TCB，即当前正在运行的 TCB 。那么我们要想让任务支持优先级，即只要解决在任务切换（taskYIELD）的时候，让 pxCurrenTCB 指向最高优先级的就绪任务的 TCB 就可以。
10.2 讲解查找最高优先级的就绪任务相关代码
/* 查找最高优先级的就绪任务：通用方法 */
#if ( configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION == 0 )
/* uxTopReadyPriority 存的是就绪任务的最高优先级 */
#define taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority ) \
{ \
if( ( uxPriority ) > uxTopReadyPriority ) \
{ \
uxTopReadyPriority = ( uxPriority ); \
} \
} /* taskRECORD_READY_PRIORITY */
/*-----------------------------------------------------------*/
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \
{ \
UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority; \
\
/* 寻找包含就绪任务的最高优先级的队列 */ \
while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) ) \
{ \
--uxTopPriority; \
} \
\
/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */ \
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
/* 更新uxTopReadyPriority */ \
uxTopReadyPriority = uxTopPriority; \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */
/*-----------------------------------------------------------*/
/* 这两个宏定义只有在选择优化方法时才用，这里定义为空 */
#define taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority )
#define portRESET_READY_PRIORITY( uxPriority, uxTopReadyPriority )
/* 查找最高优先级的就绪任务：根据处理器架构优化后的方法 */
#else /* configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION */
#define taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority ) portRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority, uxTopReadyPriority )
/*-----------------------------------------------------------*/
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \
{ \
UBaseType_t uxTopPriority; \
\
/* 寻找包含就绪任务的最高优先级的队列 */ \
portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority ); \
/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */ \
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */
/*-----------------------------------------------------------*/
#if 1
#define taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority ) \
{ \
if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ ( uxPriority ) ] ) ) == ( UBaseType_t ) 0 ) \
{ \
portRESET_READY_PRIORITY( ( uxPriority ), ( uxTopReadyPriority ) ); \
} \
}
#else
#define taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority ) \
{ \
portRESET_READY_PRIORITY( ( uxPriority ), ( uxTopReadyPriority ) ); \
}
#endif
#endif /* configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION */
10.2.1 通用方法
10.2.2 优化方法
优化的方法，这得益于 Cortex-M 内核有一个计算前导零的指令 CLZ，所谓前导零就是计算一个变量（Cortex-M 内核单片机的变量为 32 位）从高位开始第一次出现 1 的位的前面的零的个数。比如：一个 32 位的变量 uxTopReadyPriority，其位 0 位 24 和 位 25 均 置 1 ， 其 余 位 为 0 。 那么使用前导零指令__CLZ (uxTopReadyPriority)可以很快的计算出 uxTopReadyPriority 的前导零的个数为 6。
如果 uxTopReadyPriority 的每个位号对应的是任务的优先级，任务就绪时，则将对应的位置 1，反之则清零。那么图 10-2 就表示优先级 0、优先级 24 和优先级 25 这三个任务就绪，其中优先级为 25 的任务优先级最高。利用前导零计算指令可以很快计算出就绪任务中的最高优先级为：( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) ) = ( 31UL - ( uint32_t ) 6 ) = 25。
10.3 修改代码，支持多优先级
10.3.1 修改任务控制块
typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t *pxTopOfStack; /* 栈顶 */
ListItem_t xStateListItem; /* 任务节点 */
StackType_t *pxStack; /* 任务栈起始地址 */
/* 任务名称，字符串形式 */
char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];
TickType_t xTicksToDelay;
UBaseType_t uxPriority; /* 任务优先级 *//*新增*/
} tskTCB;
10.3.2 修改 xTaskCreateStatic()函数
TaskHandle_t xTaskCreateStatic( TaskFunction_t pxTaskCode, /* 任务入口 */
const char * const pcName, /* 任务名称，字符串形式 */
const uint32_t ulStackDepth, /* 任务栈大小，单位为字 */
void * const pvParameters, /* 任务形参 */
UBaseType_t uxPriority, /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 */ /*新增*/
StackType_t * const puxStackBuffer, /* 任务栈起始地址 */
TCB_t * const pxTaskBuffer ) /* 任务控制块 */
{
TCB_t *pxNewTCB;
TaskHandle_t xReturn;
if( ( pxTaskBuffer != NULL ) && ( puxStackBuffer != NULL ) )
{
pxNewTCB = ( TCB_t * ) pxTaskBuffer;
pxNewTCB->pxStack = ( StackType_t * ) puxStackBuffer;
/* 创建新的任务 */
prvInitialiseNewTask( pxTaskCode,
pcName,
ulStackDepth,
pvParameters,
uxPriority, /*新增*/
&xReturn,
pxNewTCB);
/* 将任务添加到就绪列表 */
prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB );
}
else
{
xReturn = NULL;
}
return xReturn;
}
1. prvInitialiseNewTask()函数
static void prvInitialiseNewTask( TaskFunction_t pxTaskCode, /* 任务入口 */
const char * const pcName, /* 任务名称，字符串形式 */
const uint32_t ulStackDepth, /* 任务栈大小，单位为字 */
void * const pvParameters, /* 任务形参 */
UBaseType_t uxPriority, /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 *//*新增*/
TaskHandle_t * const pxCreatedTask, /* 任务句柄 */
TCB_t *pxNewTCB ) /* 任务控制块 */
{
StackType_t *pxTopOfStack;
UBaseType_t x;
/* 获取栈顶地址 */
pxTopOfStack = pxNewTCB->pxStack + ( ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 );
//pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );
/* 向下做8字节对齐 */
pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( uint32_t ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) ) );
/* 将任务的名字存储在TCB中 */
for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ )
{
pxNewTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ];
if( pcName[ x ] == 0x00 )
{
break;
}
}
/* 任务名字的长度不能超过configMAX_TASK_NAME_LEN */
pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';
vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );
listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );
/* 初始化优先级 */ /*新增*/
if( uxPriority >= ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES )
{
uxPriority = ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( UBaseType_t ) 1U;
}
pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
/* 初始化任务栈 */
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters );
/* 让任务句柄指向任务控制块 */
if( ( void * ) pxCreatedTask != NULL )
{
*pxCreatedTask = ( TaskHandle_t ) pxNewTCB;
}
}
2. prvAddNewTaskToReadyList()函数
static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )
{
/* 进入临界段 */
taskENTER_CRITICAL();
{
uxCurrentNumberOfTasks++;
/* 如果pxCurrentTCB为空，则将pxCurrentTCB指向新创建的任务 */
if( pxCurrentTCB == NULL )
{
pxCurrentTCB = pxNewTCB;
/* 如果是第一次创建任务，则需要初始化任务相关的列表 */
if( uxCurrentNumberOfTasks == ( UBaseType_t ) 1 )
{
/* 初始化任务相关的列表 */
prvInitialiseTaskLists();
}
}
else /* 如果pxCurrentTCB不为空，则根据任务的优先级将pxCurrentTCB指向最高优先级任务的TCB */
{
if( pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority )
{
pxCurrentTCB = pxNewTCB;
}
}
uxTaskNumber++;
/* 将任务添加到就绪列表 */
prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );
}
/* 退出临界段 */
taskEXIT_CRITICAL();
}
10.3.3 修改 vTaskStartScheduler()函数
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 *//*新增*/
(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;
xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
//xTickCount = ( TickType_t ) 0xfffffffcUL;
/* 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 */
}
}
10.3.4 修改 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;
/* 将任务从就绪列表移除 */
//uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
/* 任务切换 */
taskYIELD();
}
10.3.5 修改 vTaskSwitchContext()函数
#if 1
/* 任务切换，即寻找优先级最高的就绪任务 */
void vTaskSwitchContext( void )
{
/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
}
#else
void vTaskSwitchContext( void )
{
/* 如果当前线程是空闲线程，那么就去尝试执行线程1或者线程2，
看看他们的延时时间是否结束，如果线程的延时时间均没有到期，
那就返回继续执行空闲线程 */
if( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB )
{
if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task1TCB;
}
else if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task2TCB;
}
else
{
return; /* 线程延时均没有到期则返回，继续执行空闲线程 */
}
}
else
{
/*如果当前线程是线程1或者线程2的话，检查下另外一个线程,如果另外的线程不在延时中，就切换到该线程
否则，判断下当前线程是否应该进入延时状态，如果是的话，就切换到空闲线程。否则就不进行任何切换 */
if(pxCurrentTCB == &Task1TCB)
{
if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task2TCB;
}
else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)
{
pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;
}
else
{
return; /* 返回，不进行切换，因为两个线程都处于延时中 */
}
}
else if(pxCurrentTCB == &Task2TCB)
{
if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)
{
pxCurrentTCB =&Task1TCB;
}
else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)
{
pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;
}
else
{
return; /* 返回，不进行切换，因为两个线程都处于延时中 */
}
}
}
}
#endif
10.3.6 修改 xTaskIncrementTick()函数
void xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t *pxTCB = NULL;
BaseType_t i = 0;
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
xTickCount = xConstTickCount;
/* 扫描就绪列表中所有线程的remaining_tick，如果不为0，则减1 */
for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
{
pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );
if(pxTCB->xTicksToDelay > 0)
{
pxTCB->xTicksToDelay --;
/* 延时时间到，将任务就绪 */
if( pxTCB->xTicksToDelay ==0 )
{
taskRECORD_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
}
}
}
/* 任务切换 */
portYIELD();
}
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