05嵌入式实时操作系统FreeRTOS任务调度.ppt

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1、嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统FreeRTOSFreeRTOS原理及应用原理及应用基基于于STM32STM32微控制器微控制器嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统FreeRTOS原理及应用原理及应用张超张超主编主编STM32Cortex-M4通用开发板通用开发板嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统FreeRTOS原理及应用原理及应用开启调度器开启调度器任务的挂起和恢复任务的挂起和恢复任务的调度任务的调度FreeRTOS内核函数内核函数FreeRTOS任务调度任务调度主要内容：主要内容：一、开启调度器开启调度器FreeRTOS任务调度任务调度调度器开启函数调度器开启函数开启调度器开启调度器

2、调度器开启函数为vTaskStartScheduler()，该函数在tasks.c中定义。调度器开启过程调度器开启过程开启调度器开启调度器首先会创建一个空闲任务。如果配置了宏configUSE_TIMERS为1，则创建定时器服务任务。如果前面的任务创建成功，通过调用xPortStartScheduler()来初始化SysTick嘀嗒定时器作FreeRTOS操作系统的心跳时钟。然后启动第一个任务，启动任务后，程序将不会退出任务调度。启动第一个任务启动第一个任务开启调度器开启调度器在调度器的开启过程中，使用与移植层硬件密切相关的xPortStartScheduler()来初始化中断、嘀嗒定时器并启

3、动第一个任务。这部分代码与硬件密切相关，先设置PendSV和嘀嗒定时器的中断优先级为最低优先级，然后初始化嘀嗒定时器并使能嘀嗒定时器中断，对于有浮点运算的Cortex-M4等微控制器，使能FPU，最后调用prvStartFirstTask()打开中断，并触发SVC中断来启动第一个要运行的任务，至此，调度器开启完成。二、任务的挂起和恢复任务的挂起和恢复FreeRTOS任务调度任务调度任务的挂起任务的挂起任务的挂起和恢复任务的挂起和恢复任务挂起函数vTaskSuspend()。此函数用于将某个任务设置为挂起态，进入挂起态的任务永远都不会运行。退出挂起态的唯一方法就是调用任务恢复函数。任务挂起函数原

4、型为：voidvTaskSuspend(TaskHandle_txTaskToSuspend);任务任务的恢复的恢复任务的挂起和恢复任务的挂起和恢复将一个任务从挂起态恢复到就绪态，要使用任务恢复函数。任务恢复函数有二个版本，vTaskResume()和xTaskResumeFromISR()，后者是中断版本，在受FreeRTOS管理的中断服务函数中调用。1、任务恢复函数vTaskResume()。只有通过vTaskSuspend()挂起的任务，才能用vTaskResume()恢复，其函数原型为：voidvTaskResume(TaskHandle_txTaskToResume);任务任务的恢复

5、的恢复任务的挂起和恢复任务的挂起和恢复2、中断版本任务恢复函数xTaskResumeFromISR()在中断服务函数中使用，其函数原型为：BaseType_txTaskResumeFromISR(TaskHandle_txTaskToResume);三、任务的调度任务的调度FreeRTOS任务调度任务调度FreeRTOS任务切换场合任务切换场合任务的调度任务的调度FreeRTOS支持三种任务调度方式：抢占式调度、时间片调度和合作式调度。抢占式调度用于任务有不同优先级的场合。每一个任务都有不同的优先级，任务会一直运行到被高优先级任务抢占，或者遇到阻塞式的API函数调用，最简单的如vTaskDel

6、ay()，才让出CPU的使用权。抢占式任务调度总是选择就绪列表中最高优先级的任务来运行。时间片调度用于多个任务具有相同优先级场的合，当多个任务优先级相同时，每个任务在运行一个时间片后就让出CPU使用权。FreeRTOS任务切换场合任务切换场合任务的调度任务的调度FreeRTOS会在下面二种情况下执行任务切换（也称上下文切换）。1、执行一个系统调用。2、嘀嗒定时器中断。PendSV中断中断任务的调度任务的调度在STM32微控制器中，有SVC和PendSV二个系统中断，前者叫系统服务调用，简称系统调用，后者叫可挂起的系统调用。触发PendSV中断的方法是往ICSR（中断控制和状态寄存器）的bit2

7、8置1。PendSV中断的优先级可以通过编程进行设置，bit28置1后，若其中断优先级不够，则将等待更高优先级的中断执行完毕才会执行，这种特性，使PendSV中断非常适合在操作系统中用于任务切换。PendSV中断中断任务的调度任务的调度FreeRTOS通过将PendSV中断设置成最低优先级，使得在PendSV中断中进行的任务切换，延迟到所有其它中断服务函数都已处理完成之后才进行。查找下一个要运行的任务查找下一个要运行的任务任务的调度任务的调度在PendSV中断服务函数里通过vTaskSwitchContext()函数来查找下一个要运行的已经就绪且为最高优先级的任务，该函数在tasks.c中实现

8、，去掉条件编译后的代码为：查找下一个要运行的任务查找下一个要运行的任务任务的调度任务的调度voidvTaskSwitchContext(void)if(uxSchedulerSuspended!=(UBaseType_t)pdFALSE)/*调度器挂起则不能进行任务切换调度器挂起则不能进行任务切换*/xYieldPending=pdTRUE;elsexYieldPending=pdFALSE;traceTASK_SWITCHED_OUT();/*堆栈溢出检测，如果使能了的话堆栈溢出检测，如果使能了的话*/taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();/*使用通用方法或硬件方法查

9、找下一个要运行的任务使用通用方法或硬件方法查找下一个要运行的任务*/taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();traceTASK_SWITCHED_IN();FreeRTOS时间片调度时间片调度任务的调度任务的调度当多个任务拥有相同的优先级时，相同优先级的每个任务只运行一个时钟节拍，然后让出CPU使用权，让另一个相同优先级的任务运行的方法来实现同优先级任务的调度，称之为时间片调度。要使用时间片调度，需要将宏configUSE_PREEMPTION和configUSE_TIME_SLICING设置为1，时间片的长度由宏configTICK_RATE_HZ定义的系统时钟

10、节拍决定，即嘀嗒定时器的溢出周期，当该宏为1000时，时间片长度就是1毫秒。时间片的调度在嘀嗒定时器的中断服务函数里完成。FreeRTOS时间片调度时间片调度任务的调度任务的调度#definexPortSysTickHandlerSysTick_HandlervoidxPortSysTickHandler(void)vPortRaiseBASEPRI();/*时钟节拍时钟节拍+1并判断有无需要切换的任务并判断有无需要切换的任务*/if(xTaskIncrementTick()!=pdFALSE)/*置置PendSV中断挂起位以切换上下文中断挂起位以切换上下文*/portNVIC_INT_CTR

11、L_REG=portNVIC_PENDSVSET_BIT;vPortClearBASEPRIFromISR();空闲任务空闲任务任务的调度任务的调度FreeRTOS调度器开启后，至少会有一个任务处于运行态。FreeRTOS在调用vTaskStartScheduler()开启调度器时，会自动创建一个空闲任务。空闲任务是一个非常短小的循环，且拥有最低优先级（优先级0）以保证其不会妨碍具有更高优先级的应用任务进入运行态。空闲任务运行在最低优先级，可以保证一旦有更高优先级的任务进入就绪态，空闲任务就会立即切出运行态。空闲任务空闲任务任务的调度任务的调度空闲任务的主要功能：1、释放内存。2、处理空闲优先

12、级任务。3、执行空闲任务钩子函数。4、实现低功耗tickless模式。FreeRTOS的tickless空闲模式会在空闲周期时停止嘀嗒定时器，从而让微控制器长时间处于低功耗模式。移植层需要配置外部唤醒中断，当唤醒事件到来时，将微控制器从低功耗模式唤醒。微控制器唤醒后，要重新使能嘀嗒定时器。四、FreeRTOS内核函数内核函数FreeRTOS任务调度任务调度FreeRTOS内核函数内核函数taskYIELD()进行任务切换进行任务切换taskENTER_CRITICAL()进入临界区，关闭中断taskEXIT_CRITICAL()退出临界区，开启中断taskENTER_CRITICAL_FROM

13、_ISR()进入临界区中断版本taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()退出临界区中断版本taskDISABLE_INTERRUPTS()关闭中断taskENABLE_INTERRUPTS()打开中断vTaskStartScheduler()开启任务调度器vTaskEndScheduler()关闭任务调度器vTaskSuspendAll()挂起任务调度器xTaskResumeAll()恢复任务调度器vTaskStepTick()设置时钟节拍追加值临界段操作函数临界段操作函数FreeRTOS内核函数内核函数程序运行过程中，一些关键代码的执行不能被打断，称这一段不能被打断的程序为临界

14、段或临界区。能打断程序执行的往往是中断，所以进入退出临界段都要进行开关中断操作。在STM32微控制器上，FreeRTOS进入和退出临界段主要是通过操作寄存器basepri来实现。进入临界段时，操作寄存basepri关闭所有低于宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY所设定的中断优先级的中断，也就是FreeRTOS能管理的所有中断，不属FreeRTOS管理的中断不会被关闭。退出临界段时，操作寄存器basepri打开所有中断。临界段操作函数临界段操作函数FreeRTOS内核函数内核函数进入和退出临界段的函数有四个：taskENTER_CRITICAL()。task

15、EXIT_CRITICAL()。taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()。后二个在中断服务函数中使用，进入和退出临界段必须成对使用，而且要求临界段的代码尽量短小，以免破坏实时性。挂起和恢复调度器函数挂起和恢复调度器函数FreeRTOS内核函数内核函数vTaskSuspendAll()函数用于挂起任务调度器。xTaskResumeAll()函数用于恢复调度器。调度器挂起后，介于vTaskSuspendAll()和xTaskResumeAll()之间的代码不会被更高优先级的任务抢占，即任务调度被禁止。挂起调度器不用关闭中断，

16、这一点与进入临界段不一样。voidvTaskSuspendAll(void)+uxSchedulerSuspended;任务切换函数任务切换函数FreeRTOS内核函数内核函数taskYIELD()是任务切换函数，其实是一个宏，最终由宏portYIELD()实现。通过向中断控制和状态寄存器ICSR的bit28位写入1，以启动一个PendSV中断，在PendSV中断里完成任务切换。#definetaskYIELD()portYIELD()#defineportYIELD()/*设置设置PendSV挂起位以切换任务挂起位以切换任务*/portNVIC_INT_CTRL_REG=portNVIC_P

17、ENDSVSET_BIT;_dsb(portSY_FULL_READ_WRITE);_isb(portSY_FULL_READ_WRITE);时钟节拍追加时钟节拍追加FreeRTOS内核函数内核函数vTaskStepTick()用于设置时钟节拍的追加值，在低功耗tickless模式下使用。当宏configUSE_TICKLESS_IDLE为1时，就使能了低功耗tickless模式，一般情况下，会在空闲任务中让系统时钟节拍停止运行，恢复系统时钟节拍后，时钟节拍停止运行的节拍数，就可用vTaskStepTick()补上。voidvTaskStepTick(constTickType_txTicksToJump)configASSERT(xTickCount+xTicksToJump)=xNextTaskUnblockTime);xTickCount+=xTicksToJump;traceINCREASE_TICK_COUNT(xTicksToJump);