大家晚上好，我是杰杰，最近挺忙的，好久沒有更新了，今天周末就吐血更新一下吧！

前言

? ? ?FreeRTOS是一個是實時內(nèi)核，任務(wù)是程序執(zhí)行的最小單位，也是調(diào)度器處理的基本單位，移植了FreeRTOS，則避免不了對任務(wù)的管理，在多個任務(wù)運行的時候，任務(wù)切換顯得尤為重要。而任務(wù)切換的效率會決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率。

? ? FreeRTOS的任務(wù)切換是干嘛的呢，rtos的實際是永遠運行的是具有最高優(yōu)先級的運行態(tài)任務(wù)，而那些之前在就緒態(tài)的任務(wù)怎么變成運行態(tài)使其得以運行呢，這就是我們FreeRTOS任務(wù)切換要做的事情，它要做的是找到最高優(yōu)先級的就緒態(tài)任務(wù)，并且讓它獲得cpu的使用權(quán)，這樣，它就能從就緒態(tài)變成運行態(tài)，這樣子，整個系統(tǒng)的實時性就會很好，響應(yīng)也會很好，而不會讓程序阻塞卡死。

? ??要知道怎么實現(xiàn)任務(wù)切換，那就要知道任務(wù)切換的機制，在不同的cpu（mcu）中，觸發(fā)的方式可能會不一樣，現(xiàn)在是以Cortex-M3為例來講講任務(wù)的切換。為了大家能看懂本文，我就拋轉(zhuǎn)引玉一下，引用《Cortex-M3權(quán)威指南-中文版》的部分語句（如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系杰杰刪除）

SVC?和?PendSV

? ? SVC（系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用，亦簡稱系統(tǒng)調(diào)用）和 PendSV（Pended System Call，可懸起系統(tǒng)調(diào)用），它們多用于在操作系統(tǒng)之上的軟件開發(fā)中。SVC 用于產(chǎn)生系統(tǒng)函數(shù)的調(diào)用請求。例如，操作系統(tǒng)不讓用戶程序直接訪問硬件，而是通過提供一些系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)，用戶程序使用 SVC 發(fā)出對系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)的呼叫請求，以這種方法調(diào)用它們來間接訪問硬件。因此，當(dāng)用戶程序想要控制特定的硬件時，它就會產(chǎn)生一個 SVC 異常，然后操作系統(tǒng)提供的 SVC 異常服務(wù)例程得到執(zhí)行，它再調(diào)用相關(guān)的操作系統(tǒng)函數(shù)，后者完成用戶程序請求的服務(wù)。

???另一個相關(guān)的異常是 PendSV（可懸起的系統(tǒng)調(diào)用），它和 SVC 協(xié)同使用。一方面，SVC異常是必須立即得到響應(yīng)的（若因優(yōu)先級不比當(dāng)前正處理的高，或是其它原因使之無法立即

響應(yīng)，將上訪成硬 fault——譯者注），應(yīng)用程序執(zhí)行 SVC 時都是希望所需的請求立即得到響應(yīng)。另一方面，PendSV 則不同，它是可以像普通的中斷一樣被懸起的（不像 SVC 那樣會上訪）。OS 可以利用它“緩期執(zhí)行”一個異常——直到其它重要的任務(wù)完成后才執(zhí)行動作。懸起 PendSV?的方法是：手工往 NVIC 的 PendSV 懸起寄存器中寫 1。懸起后，如果優(yōu)先級不夠高，則將緩期等待執(zhí)行。

????如果一個發(fā)生的異常不能被即刻響應(yīng)，就稱它被“懸起”(pending)。不過，少數(shù) fault異常是不允許被懸起的。一個異常被懸起的原因，可能是系統(tǒng)當(dāng)前正在執(zhí)行一個更高優(yōu)先級異常的服務(wù)例程，或者因相關(guān)掩蔽位的設(shè)置導(dǎo)致該異常被除能。對于每個異常源，在被懸起的情況下，都會有一個對應(yīng)的“懸起狀態(tài)寄存器”保存其異常請求，直到該異常能夠執(zhí)行為止，這與傳統(tǒng)的 ARM 是完全不同的。在以前，是由產(chǎn)生中斷的設(shè)備保持住請求信號。現(xiàn)在NVIC 的懸起狀態(tài)寄存器的出現(xiàn)解決了這個問題，即使后來設(shè)備已經(jīng)釋放了請求信號，曾經(jīng)的中斷請求也不會錯失。

系統(tǒng)任務(wù)切換的工程分析

???在系統(tǒng)中正常執(zhí)行的任務(wù)（假設(shè)沒有外部中斷IRQ），用Systick直接做上下文切換是完全沒有問題的，如圖：

?但是問題是幾乎很少嵌入式的設(shè)備會不用其豐富的中斷響應(yīng)，所以，直接用systick做系統(tǒng)的上下文切換那是不實際的，這存在很大的風(fēng)險，因為假設(shè)systick打斷了一個中斷（IRQ），立即做出上下文切換的話，則觸犯用法 fault 異常，除了重啟你沒有其他辦法了，這樣子做出來的產(chǎn)品就是垃圾！！用我老板的話說就是寫的什么狗屎！！！如圖所示：

????那這么說這樣不行那也不行，怎么辦啊？請看看前面接介紹的PendSV，是不是有點豁然開朗了？PendSV 來完美解決這個問題。PendSV 異常會自動延遲上下文切換的請求，直到其它的 ISR 都完成了處理后才放行。為實現(xiàn)這個機制，需要把 PendSV 編程為最低優(yōu)先級的異常。如果 OS 檢測到某 IRQ 正在活動并且被 SysTick 搶占，它將懸起一個 PendSV 異常，以便緩期執(zhí)行上下文切換。

? ?懂了嗎？就是說，只要將PendSV的優(yōu)先級設(shè)為最低的，systick即使是打斷了IRQ，它也不會馬上進行上下文切換，而是等到IRQ執(zhí)行完，PendSV 服務(wù)例程才開始執(zhí)行，并且在里面執(zhí)行上下文切換。過程如圖所示：

任務(wù)切換的源碼實現(xiàn)

過程差不多了解了，那看看FreeRTOS中怎么實現(xiàn)吧！！

FreeRTOS有兩種方法觸發(fā)任務(wù)切換：

??一種就是systick觸發(fā)PendSV異常，這是最經(jīng)常使用的。

?另一種是主動進行切換任務(wù)，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，比如普通任務(wù)可以使用taskYIELD()強制任務(wù)切換，中斷服務(wù)程序中使用portYIELD_FROM_ISR()強制任務(wù)切換。

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先說說第一種吧，就在systick中斷中調(diào)用xPortSysTickHandler();

下面是源碼： void?xPortSysTickHandler(?void?) {vPortRaiseBASEPRI();{/*?Increment?the?RTOS?tick.?*/if(?xTaskIncrementTick()?!=?pdFALSE?){/*?A?context?switch?is?required.??Context?switching?is?performed?inthe?PendSV?interrupt.??Pend?the?PendSV?interrupt.?*/portNVIC_INT_CTRL_REG?=?portNVIC_PENDSVSET_BIT;}}vPortClearBASEPRIFromISR(); }

? ? ?它的執(zhí)行過程是這樣子的，屏蔽所有中斷，因為SysTick以最低的中斷優(yōu)先級運行，所以當(dāng)這個中斷執(zhí)行時所有中斷必須被屏蔽。vPortRaiseBASEPRI();就是屏蔽所有中斷的。而且并不需要保存本次中斷的值，因為systick的中斷優(yōu)先級是已知的，執(zhí)行完直接恢復(fù)所有中斷即可。

????在xTaskIncrementTick()中會對tick的計數(shù)值進行自加，然后檢查有沒有處于就緒態(tài)的最優(yōu)先級任務(wù)，如果有，則返回非零值，然后表示需要進行任務(wù)切換，而并非馬上進行任務(wù)切換，此處要注意，它只是向中斷狀態(tài)寄存器bit28位寫入1，只是將PendSV掛起，假如沒有比PendSV更高優(yōu)先級的中斷，它才會進入PendSV中斷服務(wù)函數(shù)進行任務(wù)切換。

?#define?portNVIC_PENDSVSET_BIT????????(?1UL?<<?28UL?)

然后解除屏蔽所有中斷。

vPortClearBASEPRIFromISR();

2

?另一種方法是主動進行任務(wù)切換，不管是使用taskYIELD()還是portYIELD_FROM_ISR()，最終都會執(zhí)行下面的代碼：

#define?portYIELD()????????????????????????????????????????????????????????????????\ {????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????\/*?Set?a?PendSV?to?request?a?context?switch.?*/?????????????????????????????\portNVIC_INT_CTRL_REG?=?portNVIC_PENDSVSET_BIT;?????????????????????????????\???????????????????????????????????????????????????????????????????????__dsb(?portSY_FULL_READ_WRITE?);????????????????????????????????????????????\__isb(?portSY_FULL_READ_WRITE?);????????????????????????????????????????????\ }

? 這portYIELD()其實是一個宏定義來的。同樣是向中斷狀態(tài)寄存器bit28位寫入1，將PendSV掛起，然后等待任務(wù)的切換。

具體的任務(wù)切換源碼

?????一直在說怎么進行任務(wù)切換的，好像還沒看到任務(wù)切換的源碼啊，哎，下面來看看任務(wù)切換的真面目！！

__asm?void?xPortPendSVHandler(void) {extern?uxCriticalNesting;extern?pxCurrentTCB;extern?vTaskSwitchContext;PRESERVE8mrs?r0,?pspisbldr?r3,?=pxCurrentTCB???????/*?Get?the?location?of?the?current?TCB.?*/ldr?r2,?[r3]stmdb?r0!,?{r4-r11}?????????/*?Save?the?remaining?registers.?*/str?r0,?[r2]????????????????/*?Save?the?new?top?of?stack?into?the?first?member?of?the?TCB.?*/stmdb?sp!,?{r3,?r14}mov?r0,?#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITYmsr?basepri,?r0dsbisbbl?vTaskSwitchContextmov?r0,?#0msr?basepri,?r0ldmia?sp!,?{r3,?r14}ldr?r1,?[r3]ldr?r0,?[r1]????????????????/*?The?first?item?in?pxCurrentTCB?is?the?task?top?of?stack.?*/ldmia?r0!,?{r4-r11}?????????/*?Pop?the?registers?and?the?critical?nesting?count.?*/msr?psp,?r0isbbx?r14nop }

? 不是我不想看，是我看到匯編就頭大啊，這幾天我也在看源碼，實在是頭大。

? 找到核心的函數(shù)看看就好啦，不管那么多，有興趣的可以研究一下中斷代碼，有不懂的也很歡迎你們來問我，一起研究研究，也是不錯的選擇。

下面是看重點的地方了：

mov?r0,?????????????#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY msr?basepri,?r0

這兩句代碼是關(guān)閉中斷的。關(guān)中斷就得干活了，嘿嘿嘿~

bl?vTaskSwitchContext

BL是跳轉(zhuǎn)指令嘛，這個我還是有點懂的。

? 調(diào)用函數(shù)vTaskSwitchContext(),尋找新的任務(wù)運行,通過使變量pxCurrentTCB指向新的任務(wù)來實現(xiàn)任務(wù)切換,然后就是打開中斷，退出去了。

尋找下一個要運行任務(wù)

? 是不是感覺沒什么大不了的樣子，如果你是這樣子覺得的，可能還沒學(xué)到家，趕緊去看看FreeRTOS的源碼，在config.h配置文件中是不是有一個叫做硬件查找下一個運行的任務(wù)呢？configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION，這個在FreeRTOS中叫做特殊方法，其實也是硬件查找啦，但是并不是每種單片機都支持的，如果是不支持的話，只能選擇軟件查找的方法了，就是所謂的通用方法。通用方法我就不多說了，因為我用的是STM32，他是支持硬件方法的，這樣子效率更高，所以我也沒必要去研究他的軟件方法，假如有興趣的小伙伴可以研讀一下源碼，有不懂的可以向我提問，源碼如下：

#define?taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()????????????????????????????????????????????????????????????\{???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????\UBaseType_t?uxTopPriority?=?uxTopReadyPriority;?????????????????????????????????????????????????????\\/*?Find?the?highest?priority?queue?that?contains?ready?tasks.?*/????????????????????????????????\while(?listLIST_IS_EMPTY(?&(?pxReadyTasksLists[?uxTopPriority?]?)?)?)???????????????????????????\{???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????\configASSERT(?uxTopPriority?);??????????????????????????????????????????????????????????????\--uxTopPriority;????????????????????????????????????????????????????????????????????????????\}???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????\\/*?listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY?indexes?through?the?list,?so?the?tasks?of????????????????????????\the?same?priority?get?an?equal?share?of?the?processor?time.?*/??????????????????????????????????\listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(?pxCurrentTCB,?&(?pxReadyTasksLists[?uxTopPriority?]?)?);???????????\uxTopReadyPriority?=?uxTopPriority;?????????????????????????????????????????????????????????????\}?/*?taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK?*/

而硬件的方法源碼則在下面：

????#define?taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()??????????????????????????????????????????????????????\{???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????\UBaseType_t?uxTopPriority;??????????????????????????????????????????????????????????????????????\\/*?Find?the?highest?priority?list?that?contains?ready?tasks.?*/?????????????????????????????\portGET_HIGHEST_PRIORITY(?uxTopPriority,?uxTopReadyPriority?);??????????????????????????????\configASSERT(?listCURRENT_LIST_LENGTH(?&(?pxReadyTasksLists[?uxTopPriority?]?)?)?>?0?);?????\listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(?pxCurrentTCB,?&(?pxReadyTasksLists[?uxTopPriority?]?)?);???????\}?/*?taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()?*/

其方法是利用硬件提供的計算前導(dǎo)零指令CLZ，具體宏定義為：

#define?portGET_HIGHEST_PRIORITY(?uxTopPriority,?uxReadyPriorities?)?uxTopPriority?=?(?31UL?-?(?uint32_t?)?__clz(?(?uxReadyPriorities?)?)?)

? 靜態(tài)變量uxTopReadyPriority包含了處于就緒態(tài)任務(wù)的最高優(yōu)先級的信息，因為FreeRTOS運行的永遠是處于最高優(yōu)先級的運行態(tài)，而下個處于最高優(yōu)先級的就緒態(tài)則必定會在下次任務(wù)切換的時候運行，uxTopReadyPriority使用每一位來表示任務(wù)是否處于就緒態(tài)，比如變量uxTopReadyPriority的bit0為1，則表示存在優(yōu)先級為0的任務(wù)處于就緒態(tài)，bit6為1則表示存在優(yōu)先級為6的任務(wù)處于就緒態(tài)。并且，由于bit0的優(yōu)先級高于bit6，那么下個任務(wù)就是bit0的任務(wù)運行了（數(shù)組越低優(yōu)先級越高）。由于32位整形數(shù)最多只有32位，因此使用這種特殊方法限定最大可用優(yōu)先級數(shù)目為32，即優(yōu)先級0~31。得到了下個處于最高優(yōu)先級就緒態(tài)任務(wù)了，就調(diào)用listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY來獲取下一個任務(wù)的列表項，然后將該列表項的任務(wù)控制塊TCB賦值給pxCurrentTCB，那么我們就得到下一個要運行的任務(wù)了。

至此，任務(wù)切換已經(jīng)完成。

END

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本文是杰杰原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請說明出處。本文直接引用了《Cortex-M3權(quán)威指南》的部分語句（如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系杰杰刪除）。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【连载】从单片机到操作系统⑥——FreeRTOS任务切换机制详解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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