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编程问答

详解基于 Cortex-M3 的任务调度（下）

發(fā)布時間：2025/3/15 编程问答 16 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了详解基于 Cortex-M3 的任务调度（下）小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

文章目錄

- 工程說明
- 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
- 代碼講解
- - 時鐘節(jié)拍
  - 任務(wù)切換 task_switch()
  - PendSV_Handler
  - 任務(wù)的代碼
  - 重要的全局變量
  - main() 函數(shù)
- 代碼下載

在詳解基于 Cortex-M3 的任務(wù)調(diào)度（上）_車子（chezi）-CSDN博客這篇文章中，我們已經(jīng)有了理論基礎(chǔ)，這篇文章，我們寫代碼實(shí)踐一下。

代碼基于網(wǎng)友提供的工程和書中的參考代碼修改而成，不求面面俱到，只求講清原理。

工程說明

我用的是 STM32F103 這款芯片，工程結(jié)構(gòu)如圖：

User 下面是串口的裸板驅(qū)動，調(diào)用官方的庫函數(shù)，非常套路化；

Cortex-M3 下面是廠家提供的文件，一般不用修改；

OS 下面是本文的重點(diǎn)，任務(wù)調(diào)度的精髓就在里面；

Compiler 下面是我添加的組件，由 ARM 提供，也不用修改。方便沒有板子的時候也可以用 PC 模擬運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果就是 4 個任務(wù)輪流執(zhí)行。雖然每個任務(wù)代碼中都有 while(1)，但是它不會一直占用 CPU，當(dāng)它的時間片到了，OS 就會剝奪它對 CPU 的使用權(quán)，讓下一個任務(wù)運(yùn)行。

如果你有板子，那么就用串口輸出。需要在 RTE_Components.h 文件中注釋掉這兩行

//#define RTE_Compiler_IO_STDOUT /* Compiler I/O: STDOUT */ //#define RTE_Compiler_IO_STDOUT_ITM /* Compiler I/O: STDOUT ITM */

如果沒有板子，在仿真的時候，打開 Debug（printf) Viewer 窗口就可以了。

代碼講解

時鐘節(jié)拍

上一篇博文說過，系統(tǒng)滴答定時器（SYSTICK）中斷是要有的，在這個中斷里面觸發(fā)任務(wù)切換。

void OSSysTickInit(void) { //Systick定時器初使化char *Systick_priority = (char *)0xe000ed23; //Systick中斷優(yōu)先級寄存器SysTick->LOAD = (SystemCoreClock/8/1000000)* 1000; //Systick定時器重裝載計(jì)數(shù)9000次=1ms *Systick_priority = 0x00; //Systick定時器中斷優(yōu)先級SysTick->VAL = 0; //Systick定時器計(jì)數(shù)器清0SysTick->CTRL = 0x3;//Systick打開并使能中斷,且使用外部晶振時鐘,8分頻 72MHz/8=9MHz 計(jì)數(shù)9000次=1ms 計(jì)數(shù)9次=1us }

配置 SYSTICK 的計(jì)數(shù)頻率，然后使能 SYSTICK 和中斷。

如果 SystemCoreClock 是 72MHz，就是 1ms 一次中斷。

void SysTick_Handler(void) // 1KHz { System.TimeMS++; //系統(tǒng)時鐘節(jié)拍累加if((--System.TaskTimeSlice) == 0) { System.TaskTimeSlice = TASK_TIME_SLICE;//重置時間片初值task_switch();} }

以上就是 SYSTICK 中斷處理函數(shù)。System.TaskTimeSlice 的初始值是 10；

在 main() 中有初始化的語句:

System.TaskTimeSlice = TASK_TIME_SLICE; // #define TASK_TIME_SLICE 10 System.OSRunning = OS_TRUE;System.TimeMS = 0;

也就是說 10ms 切換一次任務(wù)。

注意，這是基于時間片的任務(wù)調(diào)度，而不是基于優(yōu)先級。

任務(wù)切換 task_switch()

void task_switch(void) {if(System.OSLockNesting != 0) return;switch(curr_task) {case(0): next_task=1; break;case(1): next_task=2; break;case(2): next_task=3; break;case(3): next_task=0; break;default: next_task=0;stop_cpu;break; // Should not be here}if (curr_task != next_task){ // Context switching neededSCB->ICSR |= SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk; // Set PendSV to pending}}

第 3 行：判斷是否給調(diào)度器加鎖了，如果是，就禁止任務(wù)切換，直接返回。

切換的邏輯很簡單，只有 0-3 個任務(wù)， 0 切到 1，1 切到 2，…。next_task 是個全局變量，記錄下一個任務(wù)編號。

第 26 行很重要，設(shè)置 PendSV 中斷懸起。當(dāng) SYSTICK 中斷服務(wù)退出后，馬上就會進(jìn)入 PendSV 中斷服務(wù)。

這個函數(shù)雖然叫 task_switch，但是真正的切換是在 PendSV 中斷服務(wù)里面。

PendSV_Handler

__asm void PendSV_Handler(void) { // Simple version - assume No floating point support// Save current contextMRS R0, PSP // Get current process stack pointer valueSTMDB R0!,{R4-R11} // Save R4 to R11 in task stack (8 regs)LDR R1,=__cpp(&curr_task)LDR R2,[R1] // Get current task IDLDR R3,=__cpp(&PSP_array)STR R0,[R3, R2, LSL #2] // Save PSP value into PSP_array// Load next contextLDR R4,=__cpp(&next_task)LDR R4,[R4] // Get next task IDSTR R4,[R1] // Set curr_task = next_taskLDR R0,[R3, R4, LSL #2] // Load PSP value from PSP_arrayLDMIA R0!,{R4-R11} // Load R4 to R11 from taskstack (8 regs)MSR PSP, R0 // Set PSP to next taskBX LR // ReturnALIGN 4 }

這段代碼雖然短，但它是任務(wù)切換的精髓，簡而言之就是保存當(dāng)前任務(wù)的上下文，加載下一個任務(wù)的上下文。

在 PendSV_Handler 發(fā)生后，會有 8 個寄存器被自動壓棧，7-8 行用來手動壓棧另外 8 個寄存器。

我們一句一句說。

第 7 行：MRS R0, PSP

加載棧指針到 R0，也就是找到當(dāng)前任務(wù)的棧

第 8 行：STMDB R0!,{R4-R11}

R0 = R0-4，把 R11 的值存入 R0 指向的內(nèi)存；然后 R0 = R0-4，把 R10 的值存入 R0 指向的內(nèi)存；…

為了更加直觀，我弄了一幅圖：

這張圖是剛壓棧后的情況，可以看到，R4 是最后被壓進(jìn)去的。右邊的方框展示的是某個任務(wù)的棧。

第 9 行：LDR R1,=__cpp(&curr_task)

這句話的意思是把變量 curr_task 的地址賦值給 R1

第 10 行：LDR R2,[R1] // Get current task ID

取 R1 指向的內(nèi)容給 R2，也就是獲得當(dāng)前任務(wù)的編號

第 11 行：LDR R3,=__cpp(&PSP_array)

取數(shù)組 PSP_array[] 的地址給 R3

第 12 行：STR R0,[R3, R2, LSL #2]

相當(dāng)于偽碼 STR R0,[R3, R2<<2]，也就是 STR R0,[R3 + R2*4]

因?yàn)?R2 里面是當(dāng)前任務(wù)的編號，所以 [R3 + R2*4] 是根據(jù)任務(wù)編號索引 PSP_array 數(shù)組（每個元素占 4 個字節(jié)），意思是把 R0 的值保存到 PSP_array[R2] ，結(jié)合 R0 指向當(dāng)前任務(wù)的棧，就是要把當(dāng)前任務(wù)的棧指針保存到數(shù)組中。

上面這一番操作，其實(shí)是保存當(dāng)前任務(wù)的上下文。

我們繼續(xù)看代碼：

LDR R4,=__cpp(&next_task)LDR R4,[R4] // Get next task IDSTR R4,[R1] // Set curr_task = next_taskLDR R0,[R3, R4, LSL #2] // Load PSP value from PSP_arrayLDMIA R0!,{R4-R11} // Load R4 to R11 from taskstack (8 regs)MSR PSP, R0 // Set PSP to next taskBX LR // Return

1：取得變量 next_task 的地址給 R4

2：把 R4 指向的內(nèi)容給 R4，也就是得到下一個任務(wù)的編號

3：存儲 R4 的值到 R1 指向的內(nèi)存，R1 是 curr_task 的指針，所以就是把下一個任務(wù)的編號賦值給變量 curr_task ，用 C 語言表示就是 curr_task = next_task；

4：相當(dāng)于 LDR R0,[R3, R4*4]，即以 R4 的值為下標(biāo)索引 PSP_array 數(shù)組，把里面的值給 R0，連起來就是獲得下一個任務(wù)的 PSP 到 R0

5：手動出棧，把下一個任務(wù)的棧上面的 8 個值恢復(fù)到對應(yīng)的寄存器。剩下 8 個怎么辦？會在中斷返回的時候自動出棧。IA 表示每次傳送后地址增加 4，出棧順序是先 R4，再 R5，…，最后 R11

6：用 R0 調(diào)整棧指針 PSP，為后面的自動出棧做準(zhǔn)備

7：啟動異常返回流程

以上語句執(zhí)行后，就會切換到下一個任務(wù)。

任務(wù)的代碼

void task0(void) //任務(wù)0 {while(1) {OSprintf("Task0 is running\r\n"); OS_delayMs(500); //任務(wù)延時 } }void task1(void) //任務(wù)1 { while(1) { OSprintf("Task1 is running\r\n"); OS_delayMs(1000); //任務(wù)延時 } } void task2(void) //任務(wù)2 {while(1) {OSprintf("Task2 is running\r\n");OS_delayMs(2000); //任務(wù)延時 } }void task3(void) //任務(wù)3 {while(1) {OSprintf("Task3 is running\r\n"); OS_delayMs(4000); //任務(wù)延時 } }

很傻瓜地搞了四個任務(wù)，每個任務(wù)都向串口輸出一句話。

OSprintf 中有一個給調(diào)度器上鎖和解鎖的操作，防止每個任務(wù)的打印混淆在一起。有關(guān)的代碼是：

#define OS_CORE_ENTER __disable_irq #define OS_CORE_EXIT __enable_irq#define OSprintf(fmt, ...) \ { OSSchedLock(); printf( fmt, ##__VA_ARGS__); OSSchedUnlock();}//系統(tǒng)布爾值 #define OS_FALSE 0 #define OS_TRUE 1 //系統(tǒng)變量類型定義 typedef struct {INT8U OSRunning; //運(yùn)行標(biāo)志變量INT8U OSLockNesting; //任務(wù)切換鎖定層數(shù)統(tǒng)計(jì)變量 volatile INT32U TimeMS; //系統(tǒng)時鐘節(jié)拍累計(jì)變量INT32U TaskTimeSlice; //任務(wù)時間片 }SYSTEM;//系統(tǒng)變量 SYSTEM System;void OSSchedLock(void) //任務(wù)切換鎖定 {OS_CORE_ENTER(); // 關(guān)中斷if(System.OSRunning == OS_TRUE) { if (System.OSLockNesting < 255u) // 任務(wù)鎖定可以最大嵌套 255 層System.OSLockNesting++; }OS_CORE_EXIT(); // 開中斷 } void OSSchedUnlock(void) //任務(wù)切換解鎖 {OS_CORE_ENTER(); if(System.OSRunning == OS_TRUE){ if (System.OSLockNesting > 0) System.OSLockNesting--; }OS_CORE_EXIT(); } INT32U GetTime(void) {return System.TimeMS; }void OS_delayMs(INT32U ms) {INT32U counter;counter = GetTime() + ms;while(1){if(counter < GetTime()) break;} }

OS_delayMs 這個函數(shù)有點(diǎn)問題，沒有考慮到定時器的溢出。另外，OS_delayMs 這個函數(shù)不會掛起當(dāng)前任務(wù)。比較好的做法是當(dāng)任務(wù)調(diào)用這個函數(shù)的時候，主動放棄 CPU，這時候 CPU 可以選擇其他任務(wù)執(zhí)行。當(dāng)延時時間到了，被掛起任務(wù)再恢復(fù)到就緒態(tài)。

重要的全局變量

// Stack for each task (4K bytes each) unsigned int task0_stack[1024], task1_stack[1024],task2_stack[1024], task3_stack[1024];// Data use by OS uint32_t curr_task = 0; // Current task uint32_t next_task = 1; // Next task uint32_t PSP_array[4]; // Process Stack Pointer for each task

2-5：定義了 4 個數(shù)組，分別對應(yīng) 4 個任務(wù)的棧

10-11：curr_task 記錄當(dāng)前任務(wù)的編號，next_task 記錄下一個任務(wù)的編號

12：數(shù)組 PSP_array 用來保存每個任務(wù)的棧指針。

其實(shí)管理任務(wù)應(yīng)該有個 TCB（任務(wù)控制塊），但是我們的代碼比較簡陋（防止喧賓奪主），所以就用這些全局變量對付了。

main() 函數(shù)

鋪墊了那么多，終于來到主函數(shù)。

#define HW32_REG(ADDRESS) (*((volatile unsigned long *)(ADDRESS)))int main(void) {USART1_Config(115200); //串口1初使化System.TaskTimeSlice = TASK_TIME_SLICE; // 設(shè)置時間片為 10msSystem.OSRunning = OS_TRUE;System.TimeMS = 0; SCB->CCR |= SCB_CCR_STKALIGN_Msk; // Enable double word stack alignment//(recommended in Cortex-M3 r1p1, default in Cortex-M3 r2px and Cortex-M4)// Create stack frame for task0PSP_array[0] = ((unsigned int) task0_stack) + (sizeof task0_stack) - 16*4;HW32_REG((PSP_array[0] + (14<<2))) = (unsigned long) task0;// initial Program CounterHW32_REG((PSP_array[0] + (15<<2))) = 0x01000000; // initial xPSR// Create stack frame for task1PSP_array[1] = ((unsigned int) task1_stack) + (sizeof task1_stack) - 16*4;HW32_REG((PSP_array[1] + (14<<2))) = (unsigned long) task1;// initial Program CounterHW32_REG((PSP_array[1] + (15<<2))) = 0x01000000; // initial xPSR// Create stack frame for task2PSP_array[2] = ((unsigned int) task2_stack) + (sizeof task2_stack) - 16*4;HW32_REG((PSP_array[2] + (14<<2))) = (unsigned long) task2;// initial Program CounterHW32_REG((PSP_array[2] + (15<<2))) = 0x01000000; // initial xPSR// Create stack frame for task3PSP_array[3] = ((unsigned int) task3_stack) + (sizeof task3_stack) - 16*4;HW32_REG((PSP_array[3] + (14<<2))) = (unsigned long) task3;// initial Program CounterHW32_REG((PSP_array[3] + (15<<2))) = 0x01000000; // initial xPSRcurr_task = 0; // Switch to task #0 (Current task)__set_PSP((PSP_array[curr_task] + 16*4)); // Set PSP to top of task 0 stackNVIC_SetPriority(PendSV_IRQn, 0xFF); // Set PendSV to lowest possible priorityOSSysTickInit(); __set_CONTROL(0x3); // Switch to use Process Stack, unprivileged state__ISB(); // Execute ISB after changing CONTROL (architectural recommendation)task0(); // Start task 0while(1){stop_cpu;// Should not be here};}

比較重要的是創(chuàng)建每個任務(wù)的棧幀，比如

// Create stack frame for task0PSP_array[0] = ((unsigned int) task0_stack) + (sizeof task0_stack) - 16*4;HW32_REG((PSP_array[0] + (14<<2))) = (unsigned long) task0;// initial Program CounterHW32_REG((PSP_array[0] + (15<<2))) = 0x01000000; // initial xPSR

當(dāng)在 PendSV_Handler 中進(jìn)行切換的時候，要手動出棧 8 個寄存器（藍(lán)色），另外 8 個寄存器（紅色）會自動出棧，對于要切換的任務(wù)（將要運(yùn)行的任務(wù)），它的棧指針應(yīng)該指向 R4

所以第 2 行：PSP_array[0] = ((unsigned int) task0_stack) + (sizeof task0_stack) - 16*4;

后面減去 16*4 表示要預(yù)留出這 16 個寄存器的位置，把 PSP 指向 R4

這 16 個寄存器中有 2 個要給初始值，一個是 PC，要指向任務(wù)的入口函數(shù)；還有一個是 xPSR

xPSR 的 bit[24] 必須是 1，表示 Thumb state，所以會有代碼

HW32_REG((PSP_array[0] + (15<<2))) = 0x01000000; // initial xPSR

繼續(xù)看代碼

curr_task = 0; // Switch to task #0 (Current task)__set_PSP((PSP_array[curr_task] + 16*4)); // Set PSP to top of task 0 stackNVIC_SetPriority(PendSV_IRQn, 0xFF); // Set PendSV to lowest possible priorityOSSysTickInit(); // SysTick 初始化和使能__set_CONTROL(0x3); // Switch to use Process Stack, unprivileged state__ISB(); // Execute ISB after changing CONTROL (architectural recommendation)task0(); // Start task 0

第 2 行：因?yàn)榍懊嬖O(shè)置好了棧幀，PSP_array[0] 其實(shí)是指向 task0 的棧（上面圖中 R4 的位置），但是 task0 先運(yùn)行，它不是在 PendSV_Handler 中切換過去的，而是通過調(diào)函數(shù) task0() 來開始執(zhí)行的，所以它的棧應(yīng)該是空的，也就是要把它的 PSP 調(diào)整到最高處，所以要加上 16*4

第 3 行：把 PendSV_Handler 設(shè)置成最低的優(yōu)先級，為什么這樣，可以看我的前一篇博文：詳解基于 Cortex-M3 的任務(wù)調(diào)度（上）_車子（chezi）-CSDN博客

第 6 行：使用 PSP，且運(yùn)行在非特權(quán)級

第 7 行：指令同步屏障。用來清空流水線，確保在執(zhí)行新的指令前，前面的指令都已執(zhí)行完畢。

第 8 行：執(zhí)行 task0。其實(shí)執(zhí)行第一個任務(wù)還有別的方法，比如觸發(fā) PendSV_Handler，在中斷里面“切換”到 task0

以上就是本文全部內(nèi)容，歡迎讀者批評指正。

代碼下載

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1dnl7Cld97hujA3OoxGfd3Q
提取碼：chez

參考資料

【1】《Cortex-M3 權(quán)威指南》

【2】《The De?nitive Guide to ARM Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors（Third Edition）》

與50位技術(shù)專家面對面20年技術(shù)見證，附贈技術(shù)全景圖

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的详解基于 Cortex-M3 的任务调度（下）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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