劉火良FreeRTOS內核實現與應用學習之6——多優先級

? ? ? ? 在FreeRTOS中，數字優先級越小，邏輯優先級也越小；在任務創建時，會根據任務的優先級將任務插入就緒列表不同的位置。

????????List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 就緒列表是一個數組，數組中存儲的是就緒任務TCB(任務控制塊通過自己的鉤子<TCB中的xStateListItem節點>掛上了List_t)。

? ? ? ? 創建任務時，a. 會根據任務的優先級將任務插入就緒列表數組的不同的位置；

? ? ? ?b.? 相同優先級的任務插入就緒列表數組中的同一條鏈表中。

? ? ? ? 要想任務支持優先級，即只要實現在任務切換（taskYIELD）時，讓pxCurrentTCB指向最高優先級的就緒任務的TCB既可以。

重要數據

0.? 全局TCB指針

/* 當前正在運行的任務的任務控制塊指針，默認初始化為NULL */
TCB_t * volatile pxCurrentTCB = NULL;

要想讓任務支持優先級，即只要實現任務切換（portYIELD）時，讓pxCurrentTCB指向最高優先級的就緒任務的TCB即可。

1. 靜態變量：uxTopReadyPriority

位置：在task.c文件中定義；靜態變量；

static volatile UBaseType_t uxTopReadyPriority ?? ??? ?= tskIDLE_PRIORITY;

表示創建的任務的最高優先級，默認初始化為0，即空閑任務的優先級。

數值越大，優先級越高；

2. 修改任務控制塊：增加一變量

? ? ? ? 增加了一個變量：UBaseType_t?? ??? ??? ?uxPriority;

描述任務塊的優先級。

typedef struct tskTaskControlBlock
{volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 棧頂 */ListItem_t			    xStateListItem;   /* 任務節點 */StackType_t             *pxStack;         /* 任務棧起始地址 *//* 任務名稱，字符串形式 */char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];TickType_t xTicksToDelay;UBaseType_t			uxPriority;    
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

3. 全局任務數

static volatile UBaseType_t uxCurrentNumberOfTasks ?? ?= ( UBaseType_t ) 0U;

static UBaseType_t uxTaskNumber ?? ??? ??? ??? ??? ?= ( UBaseType_t ) 0U;

此處有一個疑問：這個變量做什么用？

? ? ? ? 查找當前最高優先級的就緒任務，給uxTopReadyPriority 賦值，給pxCurrentTCB賦值，有兩種方法。

兩種方法

? ? ? ? 查找最高優先級的就緒任務有兩種方法，具體由宏configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION控制，定義為0選擇通用方法，定義為1選擇根據處理器優化的方法，該宏默認在portmacro.h文件中定義為1，即使用優化過的方法。

#ifndef configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 1
#endif

? ? ? 該功能主要是通過四個宏來實現：

????????taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )? ?：記錄就緒最高優先級的就緒任務uxTopReadyPriority 賦值；

????????taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()：在任務列表中尋找就緒最高優先級的就緒任務，獲取優先級最高的就緒任務的TCB，然后更新到pxCurrentTCB；

????????taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority )

????????portRESET_READY_PRIORITY( uxPriority, uxTopReadyPriority )

通用方法

? ? ? ? 在通用方法中實現了上面的宏1、宏2；宏3~4為空。

兩個宏定義

taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )? ?

位置：在task.c文件中定義；

實現記錄當前運行任務的優先級，直接得到優先級的序號，并更新到靜態變量 uxTopReadyPriority 中；

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

位置：在task.c文件中定義；

	#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()															\{																									\UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;														\\/* 尋找包含就緒任務的最高優先級的隊列 */                                                          \while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) )							\{																								\--uxTopPriority;																			\}																								\\/* 獲取優先級最高的就緒任務的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）用于尋找優先級最高的就緒任務、更新靜態變量 uxTopReadyPriority；調用宏：listLIST_IS_EMPTY( pxList )

/* 判斷鏈表是否為空 */
#define listLIST_IS_EMPTY( pxList )	( ( BaseType_t ) ( ( pxList )->uxNumberOfItems == ( UBaseType_t ) 0 ) )

此處有一個疑問：鏈表中的變量計數器（uxNumberOfItems）用來做什么用？

/* 鏈表結構體定義 */
typedef struct xLIST
{
?? ?UBaseType_t uxNumberOfItems; ? ?/* 鏈表節點計數器 */
?? ?ListItem_t * ?pxIndex;?? ??? ??? ?/* 鏈表節點索引指針 */
?? ?MiniListItem_t xListEnd;?? ??? ?/* 鏈表最后一個節點 */
} List_t;
?

現在可以回答這個問題了，也就是這列鏈表中節點的個數，當任務的優先級一樣的話，是插到就緒任務鏈表數組的同一位置的，所以同一優先級就緒任務需要計數：uxNumberOfItems；
a. 將節點從鏈表中刪除：

UBaseType_t uxListRemove( ListItem_t * const pxItemToRemove ) 函數會減1；

b. 將節點插入到鏈表的尾部 ：void vListInsertEnd( List_t * const pxList, ListItem_t * const pxNewListItem ) 函數中加1；

2）更新全局變量pxCurrentTCB；調用宏：listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(..)

/* 獲取鏈表節點的OWNER，即TCB */
#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList )										\
{																							\List_t * const pxConstList = ( pxList );											    \/* 節點索引指向鏈表第一個節點調整節點索引指針，指向下一個節點，如果當前鏈表有N個節點，當第N次調用該函數時，pxInedex則指向第N個節點 */\( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;							\/* 當前鏈表為空 */                                                                       \if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) )	\{																						\( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;						\}																						\/* 獲取節點的OWNER，即TCB */                                                             \( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner;											 \
}

/* 節點結構體定義 */
struct xLIST_ITEM
{
?? ?TickType_t xItemValue; ? ? ? ? ? ? /* 輔助值，用于幫助節點做順序排列 */?? ??? ??? ?
?? ?struct xLIST_ITEM * ?pxNext; ? ? ? /* 指向鏈表下一個節點 */?? ??? ?
?? ?struct xLIST_ITEM * ?pxPrevious; ? /* 指向鏈表前一個節點 */?? ?
?? ?void * pvOwner;?? ??? ??? ??? ??? ? ? /* 指向擁有該節點的內核對象，通常是TCB */
?? ?void * ?pvContainer;?? ??? ? ? ? ? /* 指向該節點所在的鏈表 */
};
typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t; ?/* 節點數據類型重定義 */

3）繼續更新靜態變量 uxTopReadyPriority；

優化方法

? ? ? ? Cortex-M 內核有一個計算前導零的指令：CLZ。用于計算一個變量從高位開始第一次出現1的位前面的0的個數。

????????__clz( ( uxReadyPriorities )：

a.?uxReadyPriorities 為32位，每一個位號對應一個任務的優先級，1就緒，反之為0；

b.?32個優先級的任務：?( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )表示最高就緒任務的等級；

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

兩個宏定義

taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )

位置：在task.c文件中定義；

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

里頭又涉及到兩個宏：portRECORD_READY_PRIORITY? ?和 portRESET_READY_PRIORITY

位置：在portmacro.h文件中定義；

a.?portRECORD_READY_PRIORITY 完成功能：任務就緒就把uxReadyPriorities相應的位置1；得到能夠反應就緒的32位的變量uxReadyPriorities；

b.portRESET_READY_PRIORITY 功能相反；

#if configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION == 1/* 根據優先級設置/清除優先級位圖中相應的位 */#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文件中定義；

就是利用前面提到的計算前導零的指令：CLZ 實現，算出就緒最高優先級任務的的級別出來；

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

從而實現宏：taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK。

	#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()														    \{																								    \UBaseType_t uxTopPriority;																		    \\/* 尋找最高優先級 */								                            \portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );								    \/* 獲取優先級最高的就緒任務的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */                                       \listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );		    \} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

有關任務操作重要函數

1. 修改：TaskHandle_t xTaskCreateStatic(...)

1）內部增加了將任務添加到就緒列表的功能：prvAddNewTaskToReadyList；

2）在原本的prvInitialiseNewTask中增加了設置優先級的功能；

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

原來的函數，初始化與任務相關的列表，如就緒列表；

static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )

是一個帶參宏，位置：在task.c文件中定義；

static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )
{/* 進入臨界段 */taskENTER_CRITICAL();{/* 全局任務計時器加一操作 */uxCurrentNumberOfTasks++;/* 如果pxCurrentTCB為空，則將pxCurrentTCB指向新創建的任務 */if( pxCurrentTCB == NULL ){pxCurrentTCB = pxNewTCB;/* 如果是第一次創建任務，則需要初始化任務相關的列表 */if( uxCurrentNumberOfTasks == ( UBaseType_t ) 1 ){/* 初始化任務相關的列表 */prvInitialiseTaskLists();}}else /* 如果pxCurrentTCB不為空，則根據任務的優先級將pxCurrentTCB指向最高優先級任務的TCB */{if( pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority ){pxCurrentTCB = pxNewTCB;}}uxTaskNumber++;/* 將任務添加到就緒列表 */prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );}/* 退出臨界段 */taskEXIT_CRITICAL();
}

完成如下功能：

a. 初始化任務鏈表（若是第一次）：prvInitialiseTaskLists；

b. 把任務加到就緒列表：prvAddTaskToReadyList；

?這個是通過前面的宏 （查找優先級）+ 列表插入函數實現（根據優先級將任務插入就緒列表pxReadyTasksLists[]）

prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );

* 將任務添加到就緒列表 */ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
#define prvAddTaskToReadyList( pxTCB )?? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ? ? \
?? ?taskRECORD_READY_PRIORITY( ( pxTCB )->uxPriority );?? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ? ? \
?? ?vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[ ( pxTCB )->uxPriority ] ), &( ( pxTCB )->xStateListItem ) );?

完成
a.?任務控制塊的鉤子（過自己的鉤子<TCB中的xStateListItem節點>掛上了List_t)。）;

b. 任務控制塊的容納者是鏈表數組的某一個；

c.該鏈表擁有的任務（控制塊）的數量加一；

2. vTaskStartScheduler()維持不變

完成如下功能：

1）創建空閑任務；

2）啟動任務調度器xPortStartScheduler；

3.修改：void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )

位置：在task.c文件中定義；

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{TCB_t *pxTCB = NULL;/* 獲取當前任務的TCB */pxTCB = pxCurrentTCB;/* 設置延時時間 */pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;/* 將任務從就緒列表移除 *///uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );/* 任務切換 */taskYIELD();
}

此處的修改注意，以前是從任務列表中移除：uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );

現在是通過函數（宏）：taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority ) ；實現復位變量uxReadyPriorities相對于的位；

然后是調用任務切換taskYIELD，觸發中斷：vTaskSwitchContext；

4. 修改：void vTaskSwitchContext( void )

任務切換，即尋找優先級最高的就緒任務；

利用宏自動尋找優先級最高的就緒任務的TCB，然后更新到全局變量任務控制塊指針pxCurrentTCB中；

/* 任務切換，即尋找優先級最高的就緒任務 */
void vTaskSwitchContext( void )
{/* 獲取優先級最高的就緒任務的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
}

5. 修改：void xTaskIncrementTick( void )

位置：在task.c文件中定義；

由定時中斷xPortSysTickHandler調用；完成如下功能：

a. 實現全局變量xTickCount?計數操作；

此處有一個疑問：xTickCount?的加1為何這么麻煩，通過xConstTickCount常量來實現啊？

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

可能的原因 這種寫法可能是出于以下原因之一： 1. 調試方便：使用局部變量 xConstTickCount 可以方便地在調試時觀察 xTickCount 自增后的值。 2. 代碼風格：某些開發者可能傾向于通過局部變量來分離計算和賦值邏輯，以提高代碼的可讀性。 3. 歷史遺留：這段代碼可能是從更復雜的邏輯簡化而來的，原本 xConstTickCount 可能有其他用途，但后來簡化成了當前的形式。

b. 掃描所有的就緒列表的時間是否到了，到了記錄：taskRECORD_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );

c. 掃描結束進行任務切換portYIELD，觸發中斷；

void xTaskIncrementTick( void )
{TCB_t *pxTCB = NULL;BaseType_t i = 0;/* 更新系統時基計數器xTickCount，xTickCount是一個在port.c中定義的全局變量 */const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;xTickCount = xConstTickCount;/* 掃描就緒列表中所有線程的xTicksToDelay，如果不為0，則減1 */for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++){pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );if(pxTCB->xTicksToDelay > 0){pxTCB->xTicksToDelay --;}}/* 任務切換 */portYIELD();
}

6. 任務切換函數?portYIELD() 與taskYIELD

? ? ? ? 功能：設置 PendSV 的中斷掛起位，產生上下文切換。

#define taskYIELD()?? ??? ??? ??? ??? ? ? ? ? portYIELD()

#define portYIELD()																\
{																				\/* 設置 PendSV 的中斷掛起位，產生上下文切換 */								\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 );											\
}

主函數及其調試

重要文件

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