FreeRTOS个人笔记-任务延时列表的实现

根据个人的学习方向,学习FreeRTOS。由于野火小哥把FreeRTOS讲得比较含蓄,打算在本专栏尽量细化一点。作为个人笔记,仅供参考或查阅。

配套资料:FreeRTOS内核实现与应用开发实战指南、野火FreeRTOS配套视频源码、b站野火FreeRTOS视频。搭配来看更佳哟!!!

任务延时列表的实现

在本节之前,为了实现任务的堵塞延时,在任务控制块中内置了一个延时变量,xTickToDelay。

每当任务需要延时时,就初始化xTickToDelay需要延时的时间,然后将任务挂起(只是将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应的位清零),并不会将任务从就绪列表中删除。

当每次时基中断(SysTick中断)来临时,就扫描就绪列表中每个任务的xTickToDelay。如果xTickToDelay大于0就递减一次,然后判断xTickToDelay是否为0,如果为0则表示延时时间到,将该任务就绪(将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应的位置1),然后进行任务切换。

这种延时的缺点是,在每个时基中断(SysTick中断)中需要对所有任务都扫描一遍,费时。优点是容易理解。

任务延时列表的工作原理

在FreeRTOS中,有两个任务延时列表。

当任务需要延时时,则先将任务挂起,即先将任务从就绪列表删除,然后插入到任务延时列表,同时更新下一个任务的解锁时刻变量:xNextTaskUnblockTime的值。

xNextTaskUnblockTime的值等于系统时基计数器的值xTickCount加上任务需要延时的值xTicksToDelay。即xNextTaskUnblockTime=xTickCount+xTicksToDelay

当系统时基计数器xTickCount=xNextTaskUnblockTime时,就表示有任务延时到期了,需要将该任务就绪。与RT-Thread和uC/OS在解锁延时任务时要扫描定时器列表这种时间不确定性的方法相比,FreeRTOS这个xNextTaskUnblockTime全局变量设计的非常巧妙。

任务延时列表维护着一条双向链表,每个节点代表了正在延时的任务,节点按照延时时间大小做升序排列。当每次时基中断(SysTick中断)来临时,就拿系统时基计数器的值xTickCount与下一个任务的解锁时刻变量xNextTaskUnblockTime的值相比较,如果相等,则表示有任务延时到期,需要将该任务就绪,否则只是单纯地更新xTickCount的值,然后进行任务切换。

实现任务延时列表

任务延时列表及其指针

//当系统时基计数器xTickCount没有溢出时,用一条列表。当xTickCount溢出时,用另一条列表。
static List_t xDelayedTaskList1;                        //任务延时列表1
static List_t xDelayedTaskList2;                        //任务延时列表2
static List_t * volatile pxDelayedTaskList;             //任务延时列表指针,指向xTickCount没有溢出时使用的那条列表
static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;     //任务延时列表指针,指向xTickCount溢出时使用的那条列表

任务延时列表属于任务列表的一种(目前已经学了就绪列表,延时列表),在prvInitialiseTaskLists()函数中初始化。

/* 初始化任务相关的列表 */
void prvInitialiseTaskLists( void )
{
    UBaseType_t uxPriority;
    
    /* 初始化就绪列表 */
    for( uxPriority = ( UBaseType_t ) 0U; uxPriority < ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES; uxPriority++ )
	{
		vListInitialise( &( pxReadyTasksLists[ uxPriority ] ) );
	}
    
    vListInitialise( &xDelayedTaskList1 );
	vListInitialise( &xDelayedTaskList2 );
    
    pxDelayedTaskList = &xDelayedTaskList1;
	pxOverflowDelayedTaskList = &xDelayedTaskList2;
}

这里的xDelayedTaskList1作为溢出前,xDelayedTaskList2 作为溢出后。

前面说到的xNextTaskUnblockTime,下一个任务的解锁时刻变量。默认定义为0。

static volatile TickType_t xNextTaskUnblockTime		= ( TickType_t ) 0U;

xNextTaskUnblockTime在vTaskStartScheduler()函数中初始化为portMAX_DELAY。

portMAX_DELAY这个类型不知道大家还有没有印象,附上图look look。

FreeRTOS个人笔记-任务延时列表的实现_第1张图片

vTaskStartScheduler()函数如下。

void vTaskStartScheduler( void )
{
/*======================================创建空闲任务start==============================================*/     
    TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
    StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
    uint32_t ulIdleTaskStackSize;
    
    /* 获取空闲任务的内存:任务栈和任务TCB */
    vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, 
                                   &pxIdleTaskStackBuffer, 
                                   &ulIdleTaskStackSize );    
    
    xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask,              /* 任务入口 */
					                     (char *)"IDLE",                           /* 任务名称,字符串形式 */
					                     (uint32_t)ulIdleTaskStackSize ,           /* 任务栈大小,单位为字 */
					                     (void *) NULL,                            /* 任务形参 */
                                         (UBaseType_t) tskIDLE_PRIORITY,           /* 任务优先级,数值越大,优先级越高 */
					                     (StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer,     /* 任务栈起始地址 */
					                     (TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer );           /* 任务控制块 */
/*======================================创建空闲任务end================================================*/ 
    xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;    //此时xNextTaskUnblockTime为最大值0xffff ffff
    xTickCount = ( TickType_t ) 0U;

    /* 启动调度器 */
    if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
    {
        /* 调度器启动成功,则不会返回,即不会来到这里 */
    }
}

持续迭代修改更新。

vTaskDelay()函数

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    
    /* 获取当前任务的TCB */
    pxTCB = pxCurrentTCB;
    
    /* 设置延时时间 */
    //pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;
    //不再依赖TCB结构体的延时变量xTicksToDelay 

    /* 将任务插入到延时列表 */
    prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay );
    
    /* 任务切换 */
    taskYIELD();
}

上面函数用到了prvAddCurrentTaskToDelayedList()函数。

要清楚这么一个过程,prvAddCurrentTaskToDelayedList()函数是任务需要延时,在就绪列表中移除,加入到延时列表中。

prvAddCurrentTaskToDelayedList()函数如下

static void prvAddCurrentTaskToDelayedList( TickType_t xTicksToWait )
{
    TickType_t xTimeToWake;
    
    /* 获取系统时基计数器xTickCount的值,xTickCount即SysTick的中断次数 */
    const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;

    /* uxListRemove函数返回链表中剩余节点的个数 */
    /* 将任务从就绪列表中移除 */
	if( uxListRemove( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) ) == ( UBaseType_t ) 0 )
	{
        //当前链表下没有任务就绪
		/* 将任务在优先级位图中对应的位清除 */
        portRESET_READY_PRIORITY( pxCurrentTCB->uxPriority, uxTopReadyPriority );
	}

    /* 计算延时到期时,系统时基计数器xTickCount的值是多少 */
    xTimeToWake = xConstTickCount + xTicksToWait;

    /* 此时,任务已经移除就绪列表并已经计算了下一个任务解锁时刻,即当前任务的延时时间xTimeToWake */

    /* 初始化节点排序辅助值 */
    /* 将延时到期的值设置为节点的排序值 */
    /* 最先延时到期的任务排在最前面 */
    listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ), xTimeToWake );

    /* 假设xTickCount为0xffff fffdUL,xTicksToWait为0x03 */
    /* xTimeToWake = 0xffff fffdUL + 0x03 =1 ,则溢出了 */
    if( xTimeToWake < xConstTickCount )      /* 溢出 */
    {
        vListInsert( pxOverflowDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );
    }
    else                                     /* 没有溢出 */
    {
        vListInsert( pxDelayedTaskList, &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );

        /* 更新下一个任务解锁时刻变量xNextTaskUnblockTime的值 */
        if( xNextTaskUnblockTime > xTimeToWake )
        {
            xNextTaskUnblockTime = xTimeToWake;
        }
    }	
}

因为 FreeRTOS 支持同一个优先级下可以有多个任务,所以在清除优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位时要判断下该优先级下的就绪列表是否还有其它的任务。 

更新下一个任务解锁时刻变量xNextTaskUnblockTime的值,这一步很重要。在后续的xTaskIncrementTick()函数中,我们只需让系统时基计数器xTickCount与xNextTaskUnblockTime的值比较,就知道延时最快结束的任务是否到期。

xTaskIncrementTick()函数产生大变动。xTaskIncrementTick()函数意在延时结束时移除延时列表,回到就绪列表。 

void xTaskIncrementTick( void )
{
	TCB_t * pxTCB;
	TickType_t xItemValue;

	const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
	xTickCount = xConstTickCount;

	/* 如果xConstTickCount溢出,则切换延时列表 */
	if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U )
	{
		taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
	}

    /* xConstTickCount记录xTickCount计时,当大于等于下一个任务解锁时刻,说明延时结束。移除延时列表,回到就绪列表 */
	/* 最近的延时任务延时到期 */
	if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
	{
		for( ;; )   //依次将这些延时到期的任务从延时列表移除
		{
			if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
			{
				/* 延时列表为空,设置xNextTaskUnblockTime为可能的最大值 */
				xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
				break;  //退出for循环
			}
			else /* 延时列表不为空,则有任务在延时 */
			{
                //获取当前列表下第一个节点的TCB
				pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
                //获取当前列表下第一个节点的排序值
				xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );
       
                if( xConstTickCount < xItemValue )
				{
					xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
					break;  /* 直到将延时列表中所有延时到期的任务移除才跳出for循环 */
				}

				/* 将延时到期的任务从延时列表移除,消除等待状态 */
				( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );

				/* 将解除等待的任务添加到就绪列表 */
				prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
			}
		}
	}/* xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime */
    
    /* 任务切换 */
    portYIELD();
}

在函数开头,有一个taskSWITCH_DELAYED_LISTS()函数,用于切换延时列表。

//当系统时基计数器溢出的时候,延时列表pxDelayedTaskList 和 pxOverflowDelayedTaskList要互相切换
#define taskSWITCH_DELAYED_LISTS()\
{\
	List_t *pxTemp;\
	pxTemp = pxDelayedTaskList;\
	pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList;\
	pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp;\
	xNumOfOverflows++;\
	prvResetNextTaskUnblockTime();\
}

xNumOfOverflows为溢出标志位,也算是溢出后列表转换完成位的意思。初始值为0。

static volatile BaseType_t xNumOfOverflows 			= ( BaseType_t ) 0;

上面函数中,用到了prvResetNextTaskUnblockTime()函数

static void prvResetNextTaskUnblockTime( void )
{
    TCB_t *pxTCB;

	if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
	{
		/* 延时列表为空,设置xNextTaskUnblockTime为可能的最大值 */
		xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
	}
	else
	{
		/* 获取延迟列表头部任务的TCB */
		( pxTCB ) = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
		xNextTaskUnblockTime = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( ( pxTCB )->xStateListItem ) );
	}
}

位于延迟列表最前面的任务应该从阻塞状态中移除。

在没有添加任务延时列表之前,只有就绪列表。无论任务在延时还是就绪都只能通过扫描就绪列表来找到任务TCB,从而实现系统调度。

在上一节“支持多优先级”中,实现taskRESET_READY_PRIORITY()函数时,不用先判断当前优先级下就绪列表中的链表的节点是否为0,而是直接把任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位清零。因为当前优先级下就绪列表中的链表节点不可能为0。

在本节中,我们额外添加了延时列表,当任务要延时时,将任务从就绪列表中移除,然后添加到延时列表 。同时将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位清零。

在清除任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位时,与上一节不同的是,需要判断就绪列表pxReadyTaskLists[]在当前优先级下对应的链表节点是否为0。

只有当该链表下没有任务时才真正地将任务在优先级位图表uxTopReadyPriority中对应位清零。

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