FreeRTOS笔记（八）任务切换

上一文链接：FreeRTOS笔记（七）开启调度器

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  在上一文中，提到了pxCurrentTCB会在任务创建和任务切换的时候被改变，并且查看了任务创建，现在再来查看任务切换，FreeRTOS的任务切换依赖一个PendSV中断，提到PendSV，不得不提一个相关的中断SVC。

01 - SVC和PendSV

1.1 - SVC中断

  SVC是系统服务调用，这是一个改名，在ARM7~ARM11这些系列中，系统服务调用称为SWI，可以进入ARM处理器的其中一个异常模式，操作系统特权模式，在这个模式下可以操作任何硬件资源。
  在ARM针对高性能低功耗的新系列CM3/4中，SWI被改名为SVC，只是名字变了，其余内容都一样。

1.2 - PendSV中断

  与SVC相关的是PendSV中断，称为可悬起的系统调用。两者不同之处在于响应速度，SVC中断是要求被立刻得到响应的，而PendSV中断则可以延迟被响应，也就是PendSV中断可以先“悬起”，待其它重要中断被执行完成后再处理它。

  悬起PendSV的方法是：手工往NVIC的PendSV悬起寄存器中写1，悬起后，如果优先级不够其它中断高，则将延迟等待执行。

  PendSV中断这种可以被延迟执行的特性，非常适合用于任务切换。原因很简单，当一个外部中断正在被执行的时候，如果此时进行任务切换，意味着要先执行任务，而中断要被延迟执行，这违背了FreeRTOS实时操作系统的概念，所以绝不允许在中断活跃期进行任务切换。
  一个简单的解决办法是使用SysTick周期性中断进行任务切换，而在切换之前检查是否有中断执行，但是弊端在于，如果这个中断的频率和SysTick中断几乎一样，那么任务切换将很长一段时间得不到执行.
  改良的办法是在SysTick中断里面悬起PendSV中断，等这些重要的中断执行完成后，再进行任务切换，《M3 权威指南》中的一个图片很好地解释了这个过程

02 - 任务切换

2.1 - 上下文

  任务切换的本质是任务上下文的切换，上文其实就是待切出任务（当前正在运行）的TCB和相关寄存器状态，下文就是待切入（抢占）任务的TCB和相关寄存器状态。
  寄存器是宝贵资源，某个时刻只能储存某个任务的值，要使得当前任务的寄存器状态得到保留，需要把当前的寄存器压栈，恢复的时候再弹出到寄存器，这样一个寄存器就可以不断使用了。

2.2 - 切换场合

  发生任务切换的场合有2个，一个是优先级抢占，另一个是时间片轮转。在FreeRTOS中的表达为：
  系统调用 ⇌ 优先级抢占
  SysTick中断 ⇌ 时间片轮转
  其中优先级抢占不一定是高优先级抢占，可能的情况还有任务调用系统API主动放弃CPU，让其它任务先行等等。而时间片轮转发生在相同优先级的任务中，SysTick中断是FreeRTOS的周期性中断，每隔一段时间就会发生中断，调度器需要在里面执行一些自身的程序。

  无论是哪个场合，最终都需要PendSV中断的处理，比如系统调用taskYIELD()，跟踪源码可以发现设置如下

taskYIELD()
	portYIELD()
		portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; 

  而跟踪SysTick中断服务函数最终也会发现有一样的设置

SysTick_Handler()
	xPortSysTickHandler();
		portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; 

  最终都是portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT，意思是手工往NVIC的PendSV悬起寄存器中写1。

2.3 - PendSV_Handler

  因为任务切换最终都会发生PendSV中断，在PendSV中断服务函数中进行，中断服务函数为PendSV_Handler，但是在FreeRTOSConfig.h中被改名为xPortPendSVHandler，内容使用汇编编写的，它主要的工作如下

  比较关心的是改变pxCurrentTCB（回顾上一文），用到了一个函数vTaskSwitchContext()，调用层次下

vTaskSwitchContext()
	taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()
		portGET_HIGHEST_PRIORITY()		//得到高优先级任务
		listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()	//设置pxCurrentTCB

  到此，在PendSV_Handler中断服务函数中，就完成了任务的切换。

03 - 总结

• SVC中断就是软中断，给用户提供一个访问硬件的接口
• PendSV中断相对SVC来说，是可以被延迟执行的，用于任务切换
• 任务切换可以发生在系统调用中，也可以发生在时间片轮转中
• 无论哪个情况，任务切换最终都会进入PendSV中断服务函数
• 任务切换的过程为：保存现场、跳转到下一个任务、恢复现场