FreeRTOS阅读记录-task相关

最新推荐文章于 2025-03-23 00:35:57 发布

原创最新推荐文章于 2025-03-23 00:35:57 发布 · 530 阅读

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#FreeRTOS

本文详细介绍了FreeRTOS操作系统中任务的创建、初始化及调度过程。重点讲解了任务切换的实现机制，包括如何通过栈和TCB来表示任务状态，以及如何在中断和服务例程中进行上下文切换。

使用FreeRTOS也很长时间了，断断续续看过，现在记录，流程写出来不难，难的是进行高度简洁的总结。

在学校时，看过UCOS-II的代码，由于版权问题，不能使用。而FreeRTOS是基于 MIT open source license，可以免费发布，可以在商业中使用，在2019年EETimes调查中，FreeRTOS是使用量排名第三的OS。

先介绍task相关的部分

一个OS要把各个task进行管理，主要就完成2件事情，一是构造好代表各task的TCB和栈，二是进行线程切换时把上一个task的上下文保存好，并切换到下一个task，只要这2部分完成的没有问题，一个最简单的RTOS就实现了，至于各task的调度策略，支持事件等复杂功能，只是锦上添花。task的上下文保存在栈上，task的需要OS维护的信息保存在TCB中，因此一个task只使用TCB和栈就可以完全表示。

一：初始化

task创建就是把表示此task的TCB和栈初始化好，等待调度。task创建好后，TCB和栈如下：

第一个是栈指针，指向一个分配的内存，第一次初始化后，内容是要切换后执行的上下文。

xStateListItem 初始化为挂在对应优先级的Task链表上，这里没画出。Event为空，表示还没有事件。

二：任务第一次开启

是由vTaskStartScheduler()完成，先创建idle线程，之后调用 xPortStartScheduler()，在其中调用vStartFirstTask()，里面执行开中断，svc 2号调用，到svc服务函数中执行。

SVC_Handler 中调用 vPortSVCHandler_C，调用vRestoreContextOfFirstTask，流程如下：

                   -> r0 = pxCurrentTCB[0]; 获取当前的psp，即创建的main的线程
                   -> mpu 相关，这里暂只分析不开mpu
                   -> ldm r0!, {r1-r2}; /* Read from stack - r1 = PSPLIM and r2 = EXC_RETURN. */
                   -> msr psplim, r1; /* Set this task's PSPLIM value. */
                   -> movs r1, #2; msr CONTROL, r1; /* Switch to use PSP in the thread mode. */
                   -> adds r0, #32; msr psp, r0; isb; /* 调整栈指针，跳过R4~R11，见上图 */
                   -> mov r0, #0; msr basepri, r0; /* 确保终端是打开的 */
                   -> bx r2; /* 按 EXC_RETURN 返回，之前初始化是0xfffffffd，按中断中方式返回 */

注意返回时，硬件会自动从psp地址中弹出 R0~R3, R12, LR, PC，然后此时的CPU上下文就是线程创建时的栈的内容，然后CPU开始跑第一个线程。

三：任务切换

触发任务切换只有2种情况，第一个是被动触发，当中断发生(外设或tick中断)，在中断中有信号量等释放，或计时到某个时间点，需要触发之前延时等待或超时的事件；第二个是主动触发，正在执行的线程执行了延时，或释放了信号量，或获取信号量未果等，主动触发了调度。这里举一个主动调用延时的例子：

vTaskDelay(xTicksToDelay)
   -> prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay, pdFALSE );
       -> uxListRemove( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) ); 从当前链表上移除，当前链表为正执行的任务，如果不是正执行的任务，不会调用delay函数
       -> vListInsert( pxDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) ); 将当前函数移到DelayedTaskList上
       -> if( xTimeToWake < xNextTaskUnblockTime ) { xNextTaskUnblockTime = xTimeToWake; }
   -> if( xAlreadyYielded == pdFALSE ) portYIELD_WITHIN_API(); 置位PENDSV中断，触发并跳入 pendsv 函数。

PendSV_Handler @ portasm.c   src\kernel\FreeRTOSv10.4.x\Source\portable\GCC\ARM_CM33_NTZ\non_secure
   -> mrs r0, psp； mrs r2, psplim; ... #保存了 r2, r3 = lr = 0xfffffffd(中断上下文)，保存当前的 psp 到 TCB
   -> mov r0, configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY; msr basepri, r0; dsb; isb; 调整至最高优先级，以关闭中断
   -> bl vTaskSwitchContext; @ tasks.c   src\kernel\FreeRTOSv10.4.x\Source
       -> taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
                -> while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) ) { --uxTopPriority; } 一直找到下一个最高优先级的task
               -> listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); 使用 idle 的 xStateListItem 把 pxCurrentTCB 赋值为下一个最高优先级的task的TCB
               -> uxTopReadyPriority = uxTopPriority;
   -> mov r0, #0; msr basepri, r0; 开中断
   -> ldr r2, pxCurrentTCB; ldr r1, [r2]; ldr r0, [r1];
   -> ldmia r0!, {r2-r11} # 取出包括 r3 = return address

   -> msr psplim, r2; #no MPU
   -> msr psp, r0; bx r3; 执行idle task的返回地址，此时为 0xfffffffd ，即从中断返回，从psp取出上下文，开始执行下一个最高优先级的线程