【吐血总结】FreeRTOS难点、Systick中断-滴答定时器、PendSV中断-任务切换、SVC中断-系统底层、时间片调度-时钟节拍【已完结】

情系淮思

已于 2024-09-27 13:47:15 修改

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分类专栏：学校-UCOS/RTOS学习文章标签： c语言单片机嵌入式硬件

于 2023-02-15 21:27:52 首次发布

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文章详细探讨了FreeRTOS操作系统中的Systick滴答定时器、PendSV中断以及SVC中断在任务调度中的作用。内容包括Systick中断的优先级设置对实时性的影响，SVC中断在任务启动时的角色，以及PendSV如何用于任务切换。文章还提到了时间片调度的概念，并引用了其他博主的相关文章链接，提供了深入学习的资源。

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【吐血总结】FreeRTOS难点、Systick中断-滴答定时器、PendSV中断-任务切换、SVC中断-系统底层、时间片调度-时钟节拍【已完结】
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0、2024年1月温故知新（纯文字）

在实时操作系统中，实时性最高的是中断程序，要及时的处理内外部中断，线程内执行的代码因为需要任务调度等，实时性差一些。
如果SysTick优先级调高，影响了用户中断，再加上线程调度本身也不准确，那么整个操作系统没有准确的地方了。因此把SysTick优先级降低，优先保障用户中断的实时性，线程的实时性放到第二位，这样才能体现出操作系统的实时特性。
总结：SysTick中断优先级设置成最高和最低都有缺点，但是设置成最低的缺点可以接受！！！

0、2024年9月补充

在这里插入图片描述

对于文中提到的SysTick和PendSV之间的优先级问题，这里补充了一张参考手册的截图，这里可以看到默认的PendSV的优先级更高一点！SVC的优先级在这三个中是最高！
SVC和PendSV中断属于系统内核的东西（没有外部IO通道），它与一般的外部中断有区别（有一个IO通道），SVC中断是一种由用户程序主动触发的异常，用于请求系统服务或调用系统函数。SVC中断的主要用途是产生系统函数的调用请求，例如操作系统提供的系统服务函数。SVC中断由用户程序通过特定的指令（如SVC指令）主动触发，而不是由外部事件或硬件错误触发。
PendSV中断通常不由用户程序直接触发，而是由系统内部的任务调度器或中断处理程序根据需要挂起（触发）。PendSV中断的优先级通常设置为最低，以确保在所有其他中断处理完成后才执行。这种设置有助于避免任务切换被高优先级中断打断，从而提高系统的稳定性和实时性。
PendSV中断是ARM Cortex系列处理器中的一个特殊异常，主要用于任务调度和上下文切换。它的主要特点是可延时执行，通常在其他中断处理完成后执行，以确保任务切换不会阻碍中断响应。PendSV中断在RTOS（实时操作系统）中广泛应用，作为任务切换的理想选择。

1、Systick滴答定时器

在这里插入图片描述

Systick异常请求=滴答定时器中断，原子的这颗F429芯片晶振是180MHZ，重装载值是18000，从18000计数减到0是一次心跳周期=1/1000s=1ms，这个systick定时器开启是在开启任务调度函数里面的

这个空任务就是空闲任务，任务优先级是0，即任务最低优先级（不是中断优先级）

在这里插入图片描述

其实我仍然不太明白嵌套计数器的含义，前几篇文章也分析过，总觉得理解不对

在这里插入图片描述

这个时间片计数轮询表述不恰当，这里其实是开启滴答定时器中断，用于PendSV任务切换使用

在这里插入图片描述至于Systick和PendSV两者之间谁的优先级高？这个我也不知道，待补充

开启定时器中断就是滴答定时器，里面有PendSV切换，第6步里面全是汇编语言，反正我看不懂，待补充

2、SVC中断

在这里插入图片描述

已经创建好任务了，才进入的SVC中断，SVC中断是讲任务结构体数据依次按地址pop到cpu寄存器中（SVC中断只在启动第一次任务时会调用一次，以后均不调用），这里的使能全局中断相当于汇编语言开启中断，因为前面有进入临界区保护时关掉了中断，此时手动又开启了（具体为什么，我没有详细研究，会用大致上理解就行了）

在这里插入图片描述
绿色颜色很重要，这块原子讲得很详细，建议去看下视频

3、PendSV中断

在这里插入图片描述

上图中的if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )判断中的xTaskIncrementTick() 函数里面就是一些链表的操作，即列表项之间的判断，插入，删除，阻塞之类的，因为列表项之间判断决定了是否进行任务切换，因为创建任务就是创建了列表

在这里插入图片描述

原子中的delay延时函数内部调用了上面橙色圈的函数，也就是说delay可以导致任务切换

在这里插入图片描述

这个是宏替换之后的PendSV中断函数，全是汇编语言，后面不想看了，太细了也很难

4、💖 Systick、SVC、PendSV小结

定时器中断是在开启任务调度器时开启的Systick中断函数（寄存器开启，1ms进入一次），
里面有PendSV中断函数（寄存器开启，用来根据列表项操作进行任务函数切换），开启任务调度器之后创建了任务（创建任务的同时也就保存了数据），
之后打开了SVC中断（汇编语言，获取任务堆栈地址，将任务数据进行出栈处理给cpu寄存器，用于操作硬件底层）（SVC中断只在启动第一次任务时会调用一次，以后均不调用）

5、时间片调度

在这里插入图片描述
没用完的时间片丢掉

时间片设置的是50ms，这个实验还是比较容易理解滴！因为没有加临界区，导致task1打印一半被阻塞跳到task2接着打印了

        taskENTER_CRITICAL();               /* 进入临界区 */
        printf("task1运行次数：%d\r\n",++task1_num);
        taskEXIT_CRITICAL();                /* 退出临界区 */

        taskENTER_CRITICAL();               /* 进入临界区 */
        printf("task2运行次数：%d\r\n",++task2_num);
        taskEXIT_CRITICAL();                /* 退出临界区 */

解决办法是printf上下加上临界区保护即可

6、🧡 韦东山FreeRTOS部分

void vTask1( void *pvParameters )
{
	const TickType_t xDelay100ms = pdMS_TO_TICKS( 100UL );		
	BaseType_t ret;
	
	/* 任务函数的主体一般都是无限循环 */
	for( ;; )
	{
		/* 打印任务的信息 */
		printf("Task1 is running\r\n");
		
		ret = xTaskCreate( vTask2, "Task 2", 1000, NULL, 2, &xTask2Handle );
		if (ret != pdPASS)
			printf("Create Task2 Failed\r\n");
		
		// 如果不休眠的话, Idle任务无法得到执行
		// Idel任务会清理任务2使用的内存
		// 如果不休眠则Idle任务无法执行, 最后内存耗尽
		vTaskDelay( xDelay100ms );
	}

void vTask2( void *pvParameters )
{	
	/* 打印任务的信息 */
	printf("Task2 is running and about to delete itself\r\n");

	// 可以直接传入参数NULL, 这里只是为了演示函数用法
	vTaskDelete(xTask2Handle);
}

int main( void )
{
	prvSetupHardware();
	
	xTaskCreate(vTask1, "Task 1", 1000, NULL, 1, NULL);

	/* 启动调度器 */
	vTaskStartScheduler();

	/* 如果程序运行到了这里就表示出错了, 一般是内存不足 */
	return 0;
}

在这里插入图片描述

阻塞≠挂起（挂起只能使用具体的挂起函数，阻塞无需），只有freertos自带的taskdelay函数实现了任务切换，即task1被taskdelay挂起，task2执行完之后就delete了自己，因为taskdelay里面调用了vTaskSuspendAll();挂起函数，这里的阻塞就是PendSV里面的列表项操作
在这里插入图片描述

这个tick中断，时间片就是taskdelay延时，taskdelay(1000)就是1000个时间片，这1000ms内这个任务被阻塞，其它任务可以执行，这就是实时操作系统的妙处所在

在这里插入图片描述
svs操作系统底层，pendsv用于任务切换，任务的重要程度肯定比不上系统内核底层，根据上面的小节可知，svs就是获取任务堆栈地址，将任务数据进行出栈处理，用于操作硬件底层

7、💛 其它博主文章链接【转载】

1、FreeRTOS任务切换——PendSV

FreeRTOS任务切换——PendSV
在这里插入图片描述
这篇文章主要就是解释了上面张图，中断可打断PendSV，PendSV的作用，以及具有延时特点。

2、RTOS系列文章（2）：PendSV功能，为什么需要PendSV

RTOS系列文章（2）：PendSV功能，为什么需要PendSV
这篇文章写得很详细了，和我看完原子视频理解的大差不差

1、将Systick的优先级设置成高于IRQ
在这里插入图片描述
缺点，IRQ=外部中断被耽误，不可容忍

2、将Systick和PendSV的优先级设置为最低
在这里插入图片描述
缺点，IRQ影响Systick时钟，可容忍
3、将SysTick的优先级设置成最高，PendSV的优先级设置为低

缺点，耽误IRQ，不可容忍

1 PendSV是可悬起系统中断，具有【缓期执行】特征。
2 PendSV一般被嵌入式OS用于任务调度的上下文切换。
3 使用PendSV时，一般会将PendSV的优先级设置为最低，让外部IRQ先执行，等到没有外部中断后，在执行上下文切换。
4 嵌入式实时操作系统的【实时】概念，并不仅仅指应用程序、任务的调度实时，而是指整个系统的实时性高，具备【可剥夺】特点，当有高优先级的中断、任务具备执行条件时，立刻中断当前正在运行的任务，去执行高优先级的IRQ和高优先级任务。
5 嵌入式OS一般会将SysTick的优先级也设置为最低，保证外部中断IRQ优先，详细的分析，我们下一篇文章讨论。

至于sys中断和pendsv中断谁的优先级更高？不清楚，还是没明白，反正两个都是设置最低！