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刘火良FreeRTOS内核实现与应用学习之6——多优先级

news 2025/4/1 4:43:35

        在FreeRTOS中，数字优先级越小，逻辑优先级也越小；在任务创建时，会根据任务的优先级将任务插入就绪列表不同的位置。

        List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 就绪列表是一个数组，数组中存储的是就绪任务TCB(任务控制块通过自己的钩子<TCB中的xStateListItem节点>挂上了List_t)。

        创建任务时，a. 会根据任务的优先级将任务插入就绪列表数组的不同的位置；

       b.  相同优先级的任务插入就绪列表数组中的同一条链表中。

        要想任务支持优先级，即只要实现在任务切换（taskYIELD）时，让pxCurrentTCB指向最高优先级的就绪任务的TCB既可以。

重要数据

0.  全局TCB指针

/* 当前正在运行的任务的任务控制块指针，默认初始化为NULL */
TCB_t * volatile pxCurrentTCB = NULL;

要想让任务支持优先级，即只要实现任务切换（portYIELD）时，让pxCurrentTCB指向最高优先级的就绪任务的TCB即可。

1. 静态变量：uxTopReadyPriority

位置：在task.c文件中定义；静态变量；

static volatile UBaseType_t uxTopReadyPriority         = tskIDLE_PRIORITY;

表示创建的任务的最高优先级，默认初始化为0，即空闲任务的优先级。

数值越大，优先级越高；

2. 修改任务控制块：增加一变量

        增加了一个变量：UBaseType_t            uxPriority;

描述任务块的优先级。

typedef struct tskTaskControlBlock
{volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 栈顶 */ListItem_t			    xStateListItem;   /* 任务节点 */StackType_t             *pxStack;         /* 任务栈起始地址 *//* 任务名称，字符串形式 */char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];TickType_t xTicksToDelay;UBaseType_t			uxPriority;    
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

3. 全局任务数

static volatile UBaseType_t uxCurrentNumberOfTasks     = ( UBaseType_t ) 0U;

static UBaseType_t uxTaskNumber                     = ( UBaseType_t ) 0U;

此处有一个疑问：这个变量做什么用？

        查找当前最高优先级的就绪任务，给uxTopReadyPriority 赋值，给pxCurrentTCB赋值，有两种方法。

两种方法

        查找最高优先级的就绪任务有两种方法，具体由宏configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION控制，定义为0选择通用方法，定义为1选择根据处理器优化的方法，该宏默认在portmacro.h文件中定义为1，即使用优化过的方法。

#ifndef configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 1
#endif

      该功能主要是通过四个宏来实现：

        taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )   ：记录就绪最高优先级的就绪任务uxTopReadyPriority 赋值；

        taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()：在任务列表中寻找就绪最高优先级的就绪任务，获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB；

        taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority )

        portRESET_READY_PRIORITY( uxPriority, uxTopReadyPriority )

通用方法

        在通用方法中实现了上面的宏1、宏2；宏3~4为空。

两个宏定义

taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )   

位置：在task.c文件中定义；

实现记录当前运行任务的优先级，直接得到优先级的序号，并更新到静态变量 uxTopReadyPriority 中；

	#define taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )														\{																									\if( ( uxPriority ) > uxTopReadyPriority )														\{																								\uxTopReadyPriority = ( uxPriority );														\}																								\} /* taskRECORD_READY_PRIORITY */
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()

位置：在task.c文件中定义；

	#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()															\{																									\UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;														\\/* 寻找包含就绪任务的最高优先级的队列 */                                                          \while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) )							\{																								\--uxTopPriority;																			\}																								\\/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */							            \listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );			\/* 更新uxTopReadyPriority */                                                                    \uxTopReadyPriority = uxTopPriority;																\} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

1）用于寻找优先级最高的就绪任务、更新静态变量 uxTopReadyPriority；调用宏：listLIST_IS_EMPTY( pxList )

/* 判断链表是否为空 */
#define listLIST_IS_EMPTY( pxList )	( ( BaseType_t ) ( ( pxList )->uxNumberOfItems == ( UBaseType_t ) 0 ) )

此处有一个疑问：链表中的变量计数器（uxNumberOfItems）用来做什么用？

/* 链表结构体定义 */
typedef struct xLIST
{
    UBaseType_t uxNumberOfItems;    /* 链表节点计数器 */
    ListItem_t *  pxIndex;            /* 链表节点索引指针 */
    MiniListItem_t xListEnd;        /* 链表最后一个节点 */
} List_t;
 

现在可以回答这个问题了，也就是这列链表中节点的个数，当任务的优先级一样的话，是插到就绪任务链表数组的同一位置的，所以同一优先级就绪任务需要计数：uxNumberOfItems；
a. 将节点从链表中删除：

UBaseType_t uxListRemove( ListItem_t * const pxItemToRemove ) 函数会减1；

b. 将节点插入到链表的尾部 ：void vListInsertEnd( List_t * const pxList, ListItem_t * const pxNewListItem ) 函数中加1；

2）更新全局变量pxCurrentTCB；调用宏：listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(..)

/* 获取链表节点的OWNER，即TCB */
#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList )										\
{																							\List_t * const pxConstList = ( pxList );											    \/* 节点索引指向链表第一个节点调整节点索引指针，指向下一个节点，如果当前链表有N个节点，当第N次调用该函数时，pxInedex则指向第N个节点 */\( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;							\/* 当前链表为空 */                                                                       \if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) )	\{																						\( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;						\}																						\/* 获取节点的OWNER，即TCB */                                                             \( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner;											 \
}

/* 节点结构体定义 */
struct xLIST_ITEM
{
    TickType_t xItemValue;             /* 辅助值，用于帮助节点做顺序排列 */            
    struct xLIST_ITEM *  pxNext;       /* 指向链表下一个节点 */        
    struct xLIST_ITEM *  pxPrevious;   /* 指向链表前一个节点 */    
    void * pvOwner;                       /* 指向拥有该节点的内核对象，通常是TCB */
    void *  pvContainer;               /* 指向该节点所在的链表 */
};
typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t;  /* 节点数据类型重定义 */

3）继续更新静态变量 uxTopReadyPriority；

优化方法

        Cortex-M 内核有一个计算前导零的指令：CLZ。用于计算一个变量从高位开始第一次出现1的位前面的0的个数。

        __clz( ( uxReadyPriorities )：

a. uxReadyPriorities 为32位，每一个位号对应一个任务的优先级，1就绪，反之为0；

b. 32个优先级的任务： ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )表示最高就绪任务的等级；

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

两个宏定义

taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )

位置：在task.c文件中定义；

#define taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )	portRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority, uxTopReadyPriority )

里头又涉及到两个宏：portRECORD_READY_PRIORITY   和 portRESET_READY_PRIORITY

位置：在portmacro.h文件中定义；

a. portRECORD_READY_PRIORITY 完成功能：任务就绪就把uxReadyPriorities相应的位置1；得到能够反应就绪的32位的变量uxReadyPriorities；

b.portRESET_READY_PRIORITY 功能相反；

#if configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION == 1/* 根据优先级设置/清除优先级位图中相应的位 */#define portRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority, uxReadyPriorities ) ( uxReadyPriorities ) |= ( 1UL << ( uxPriority ) )#define portRESET_READY_PRIORITY( uxPriority, uxReadyPriorities ) ( uxReadyPriorities ) &= ~( 1UL << ( uxPriority ) )/*-----------------------------------------------------------*/#define portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxReadyPriorities ) uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )#endif /* taskRECORD_READY_PRIORITY */
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()

位置：在portmacro.h文件中定义；

就是利用前面提到的计算前导零的指令：CLZ 实现，算出就绪最高优先级任务的的级别出来；

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

从而实现宏：taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK。

	#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()														    \{																								    \UBaseType_t uxTopPriority;																		    \\/* 寻找最高优先级 */								                            \portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );								    \/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */                                       \listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );		    \} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

有关任务操作重要函数

1. 修改：TaskHandle_t xTaskCreateStatic(...)

1）内部增加了将任务添加到就绪列表的功能：prvAddNewTaskToReadyList；

2）在原本的prvInitialiseNewTask中增加了设置优先级的功能；

prvInitialiseNewTask( pxTaskCode, pcName, ulStackDepth, pvParameters,uxPriority, &xReturn, pxNewTCB);

原来的函数，初始化与任务相关的列表，如就绪列表；

static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )

是一个带参宏，位置：在task.c文件中定义；

static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )
{/* 进入临界段 */taskENTER_CRITICAL();{/* 全局任务计时器加一操作 */uxCurrentNumberOfTasks++;/* 如果pxCurrentTCB为空，则将pxCurrentTCB指向新创建的任务 */if( pxCurrentTCB == NULL ){pxCurrentTCB = pxNewTCB;/* 如果是第一次创建任务，则需要初始化任务相关的列表 */if( uxCurrentNumberOfTasks == ( UBaseType_t ) 1 ){/* 初始化任务相关的列表 */prvInitialiseTaskLists();}}else /* 如果pxCurrentTCB不为空，则根据任务的优先级将pxCurrentTCB指向最高优先级任务的TCB */{if( pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority ){pxCurrentTCB = pxNewTCB;}}uxTaskNumber++;/* 将任务添加到就绪列表 */prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );}/* 退出临界段 */taskEXIT_CRITICAL();
}

完成如下功能：

a. 初始化任务链表（若是第一次）：prvInitialiseTaskLists；

b. 把任务加到就绪列表：prvAddTaskToReadyList；

 这个是通过前面的宏 （查找优先级）+ 列表插入函数实现（根据优先级将任务插入就绪列表pxReadyTasksLists[]）

prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );

* 将任务添加到就绪列表 */                                    
#define prvAddTaskToReadyList( pxTCB )                                                                   \
    taskRECORD_READY_PRIORITY( ( pxTCB )->uxPriority );                                                   \
    vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[ ( pxTCB )->uxPriority ] ), &( ( pxTCB )->xStateListItem ) ); 

完成
a. 任务控制块的钩子（过自己的钩子<TCB中的xStateListItem节点>挂上了List_t)。）;

b. 任务控制块的容纳者是链表数组的某一个；

c.该链表拥有的任务（控制块）的数量加一；

2. vTaskStartScheduler()维持不变

完成如下功能：

1）创建空闲任务；

2）启动任务调度器xPortStartScheduler；

3.修改：void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )

位置：在task.c文件中定义；

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;/* 将任务从就绪列表移除 *///uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );/* 任务切换 */taskYIELD();
}

此处的修改注意，以前是从任务列表中移除：uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );

现在是通过函数（宏）：taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority ) ；实现复位变量uxReadyPriorities相对于的位；

然后是调用任务切换taskYIELD，触发中断：vTaskSwitchContext；

4. 修改：void vTaskSwitchContext( void )

任务切换，即寻找优先级最高的就绪任务；

利用宏自动寻找优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到全局变量任务控制块指针pxCurrentTCB中；

/* 任务切换，即寻找优先级最高的就绪任务 */
void vTaskSwitchContext( void )
{/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
}

5. 修改：void xTaskIncrementTick( void )

位置：在task.c文件中定义；

由定时中断xPortSysTickHandler调用；完成如下功能：

a. 实现全局变量xTickCount 计数操作；

此处有一个疑问：xTickCount 的加1为何这么麻烦，通过xConstTickCount常量来实现啊？

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

可能的原因 这种写法可能是出于以下原因之一： 1. 调试方便：使用局部变量 xConstTickCount 可以方便地在调试时观察 xTickCount 自增后的值。 2. 代码风格：某些开发者可能倾向于通过局部变量来分离计算和赋值逻辑，以提高代码的可读性。 3. 历史遗留：这段代码可能是从更复杂的逻辑简化而来的，原本 xConstTickCount 可能有其他用途，但后来简化成了当前的形式。

b. 扫描所有的就绪列表的时间是否到了，到了记录：taskRECORD_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );

c. 扫描结束进行任务切换portYIELD，触发中断；

void xTaskIncrementTick( void )
{TCB_t *pxTCB = NULL;BaseType_t i = 0;/* 更新系统时基计数器xTickCount，xTickCount是一个在port.c中定义的全局变量 */const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;xTickCount = xConstTickCount;/* 扫描就绪列表中所有线程的xTicksToDelay，如果不为0，则减1 */for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++){pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );if(pxTCB->xTicksToDelay > 0){pxTCB->xTicksToDelay --;}}/* 任务切换 */portYIELD();
}

6. 任务切换函数 portYIELD() 与taskYIELD

        功能：设置 PendSV 的中断挂起位，产生上下文切换。

#define taskYIELD()                           portYIELD()

#define portYIELD()																\
{																				\/* 设置 PendSV 的中断挂起位，产生上下文切换 */								\portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;								\\/* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely	\within the specified behaviour for the architecture. */						\__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
}

主函数及其调试

重要文件


http://www.mrgr.cn/news/96303.html

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