freertos任务调度机制深度分析（以RISC-V架构为例）

1、前言

本文是以RISC-V架构为例进行讲解，在汇编代码层面和ARM架构不一样，但是整体框架是一样的
侧重任务调度底层机制讲解，讲解代码只保留了基本功能，可配置的功能基本都已经删除
本文是以可抢占式调度机制进行讲解
RISC-V架构只支持M模式，并且中断只处理时间中断和ecall调用，其余异常没有相应的处理代码
想要更好理解任务调度机制，最好先去了解freertos的链表，因为任务切换涉及链表操作

2、任务状态切换

在这里插入图片描述

任务创建好后处于就绪态
每次任务调度时，在就绪态任务中，选择最高优先级的任务执行
任务因为等待某个事件、休眠而变成阻塞态
休眠时间到、等待的时间发生，会从阻塞态变为就绪态
任务执行vTaskSuspend（）函数进入挂起态，必须由其他任务调用vTaskResume（）唤醒进入就绪态

3、任务控制块TCB

typedef struct tskTaskControlBlock       
{
    //记录任务栈空间中的栈顶，切换任务时，从这里开始获取/保存任务运行现场。必须是任务控制块的第一个元素，这个任务切换有关
    volatile StackType_t * pxTopOfStack;  
    
    ListItem_t xStateListItem;    //用来把任务控制块挂接到不同状态的任务链表中，比如：就绪链表、挂起链表、 阻塞链表            
    ListItem_t xEventListItem;    //当任务因为等待某个时间事件而阻塞时，将任务控制块挂接到对于事件的阻塞链表，事件发生时，会唤醒对应链表          
    UBaseType_t uxPriority;	//优先级                    
    StackType_t * pxStack;	//任务的栈空间，这里记录的是栈空间的最低地址            
    char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];	//任务的名字 
   
} tskTCB;

4、任务的创建

4.1、任务创建函数的参数分析

在这里插入图片描述

pxTaskCode：任务函数的地址
pcName：任务的名字
usStackDepth：任务的栈大小，这里的单位是字而不是字节
pvParameters：任务函数的传参
uxPriority：任务的优先级
pxCreatedTask：返回的任务句柄，也就是构建的TCB结构体

4.2、任务创建函数分析

在这里插入图片描述

prvInitialiseNewTask函数：
- 初始化栈空间，将栈空间内容初始化成特殊值
- 保存任务名字到pcTaskName变量
- 保存任务优先级到uxPriority变量
- 初始化链表，包括状态链表和事件链表
- 初始化任务上下文（pxPortInitialiseStack函数）

prvAddNewTaskToReadyList函数：
- 如果是创建的第一个任务，要初始化任务调度相关链表
- 判断当前创建的链表是不是比已经存在的链表优先级更高，如果更高，则把下次调度的任务改为本任务
- 按优先级把TCB挂载到对应的就绪链表

4.3、任务创建参数保存在何处?

在这里插入图片描述

5、开启任务调度器

在这里插入图片描述

6、任务切换上下文

6.1、切换任务的时机

在这里插入图片描述

发生任务切换有两种情况：
- 任务的时间片耗尽
  - 每隔tick时间就会产生一次时钟中断，中断里要判断下一次切换哪个任务
  - 中断里需要设置MTIMECMP寄存器，周期性产生tick
- 任务主动发起调度，让出CPU
  - 任务不需要继续执行时，可主动发起任务调度
  - 主动发起任务调度，在底层通过ecall指令实现

6.2、保存/恢复任务上下文

参考博客：《freertos任务切换的现场保存、恢复（任务栈空间）深度分析（以RISC-V架构为例）》；
参考博客：《freeRTOS异常处理函数分析（以RISC-V架构进行分析）》；

6.3、xTaskIncrementTick( )函数分析

BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
{
    TCB_t * pxTCB;
    TickType_t xItemValue;
    BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;

	//判断调度器是否被挂起，等于pdFALSE表示没有被挂起
    if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
    {
		//系统启动以来产生的tick数+1
        const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + ( TickType_t ) 1;

         //更改系统的tick数，如果溢出则等于0
        xTickCount = xConstTickCount;

		//xTickCount溢出
        if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U ) /*lint !e774 'if' does not always evaluate to false as it is looking for an overflow. */
        {
        	//把两个延时链表翻转
            taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
        }

         //如果现在的tick数大于任务解除阻塞的时间，则进入循环
         //xNextTaskUnblockTime记录的是当前被阻塞的任务里，时间最短的阻塞时间
        if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
        {
            for( ; ; )
            {
                if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
                {
                    xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; /*lint !e961 MISRA exception as the casts are only redundant for some ports. */
                    break;
                }
                else
                {
					//获取延迟任务列表头部的任务控制块
					pxTCB = listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList ); /*lint !e9079 void * is used as this macro is used with timers and co-routines too.  Alignment is known to be fine as the type of the pointer stored and retrieved is the same. */
					//获取延迟时间
					xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );

					//说明还没有到任务解除阻塞的时间
                    if( xConstTickCount < xItemValue )
                    {
                    	//更新最近要被解除阻塞的时间
                        xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
                        break; 
                    }

					//从阻塞链表中移除
                    listREMOVE_ITEM( &( pxTCB->xStateListItem ) );

					//从事件阻塞链表中移除
                    if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL )
                    {
                        listREMOVE_ITEM( &( pxTCB->xEventListItem ) );
                    }

                    //添加到就绪队列
                    prvAddTaskToReadyList( pxTCB );

                    //如果是抢占式调度，则判断解除阻塞的任务优先级是否高于当前正在执行的任务
                    //如果比当前执行的任务优先级高，则需要切换任务
                    #if ( configUSE_PREEMPTION == 1 )
                    {
                        if( pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority )
                        {
                            xSwitchRequired = pdTRUE;
                        }
                    }
                    #endif /* configUSE_PREEMPTION */
                }
            }
        }

		//如果是抢占式调度，并且是时间片轮转，当前正在执行的任务的优先级就绪链表中成员个数大于1，
		//需要调度,因为同优先级的任务要轮流执行
        #if ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) )
        {
            if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ pxCurrentTCB->uxPriority ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 )
            {
                xSwitchRequired = pdTRUE;
            }
        }
        #endif /* ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ) */

		//如果是抢占式调度，并且调度功能没有被挂起，则要切换任务
        #if ( configUSE_PREEMPTION == 1 )
        {
            if( xYieldPending != pdFALSE )
            {
                xSwitchRequired = pdTRUE;
            }
        }
        #endif /* configUSE_PREEMPTION */
    }
    else
    {
        ++xPendedTicks;

    }

    return xSwitchRequired;
}

6.4、vTaskSwitchContext( )函数分析

void vTaskSwitchContext( void )
{
	//不为零，则调度器被挂起
    if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE )
    {
		//调度器被挂起，不允许任务切换
        xYieldPending = pdTRUE;
    }
    else
    {
        xYieldPending = pdFALSE;

       	//检查任务的栈是否溢出
       	taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW(); 

		//从就绪链表中选择出最高优先级的任务
		taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK(); 
    }
}

7、任务优先级的实现

7.1、重要的链表介绍

//就绪链表，configMAX_PRIORITIES是定义的当前支持最大的优先级，数字越大优先级越高
//就绪链表有多个，每个优先级有一个就绪链表
PRIVILEGED_DATA static List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]; 

//两个都是挂起休眠任务的，之所以有两个是为了解决tickCount超过表示范围产生翻转
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1;                         
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;
                     
//这是两个链表指针，用于指向上面的两个休眠链表
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxDelayedTaskList;             
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;     

//任务调度器挂起期间解除阻塞条件得到满足的阻塞任务，在任务调度器恢复工作后，
//这些任务会被移动到就绪链表组中，变为就绪状态。
PRIVILEGED_DATA static List_t xPendingReadyList;  

//这个保存被删除的任务，等待空闲链表去回收资源
static List_t xTasksWaitingTermination; 

//这是任务调度器开启时被挂起的任务
static List_t xSuspendedTaskList; /*< Tasks that are currently suspended. */

xDelayedTaskList1和xDelayedTaskList2：
- 两个链表都是用来保存被阻塞的任务，定义两个链表是解决xTickCount溢出问题
- xTickCount是记录开启任务调度后，发生tick的次数，在32位系统里是int类型，过一段时间xTickCount就可能溢出。溢出是指：当xTickCount=0xFFFFFFFF时，再加一，xTickCount的值就会变成0
- 疑问：为什么不直接在32位CPU中用long long类型变量来定义xTickCount，这样就不用考虑溢出问题？
任务控制块（TCB：Task COntrol Bloc）中xStateListItem和xEventListItem变量就是用来挂接到上面的各个链表中
想理解TCB是如何挂接到上述的链表，需要理解freertos的链表实现，阅读源码list.c

7.2、根据任务优先级进行调度

在创建任务时需要指定优先级，在构建好TCB后挂接到对应优先级的就绪链表中
如果任务发生阻塞、挂起，被挂接到阻塞链表、挂起链表，当重新变为就绪态时，还是挂接到对应优先级的就绪链表
发生任务调度时，先扫描高优先级的就绪链表，只有高优先级的就绪链表是空才会扫描低优先级的就绪链表
选择扫描到的当前最高优先级的就绪态任务进行调度，并且在调度后把该任务插入到本优先级就绪链表的尾部
总结：
- 选择就绪态中最高优先级的任务进行调度
- 同优先级的就绪态任务轮流执行

7.3、从就绪链表中选择出最高优先级的就绪任务

在这里插入图片描述

uxTopReadyPriority变量：
- uxTopReadyPriority是采用位图的形式来保存优先级，每个bit位表示一个优先级
- 比如：当前有优先级是5的任务进入就绪态，则会把uxTopReadyPriority的bit5置一，即uxTopReadyPriority |= (1 << 5);

8、tick的产生

在这里插入图片描述

使用RISC-V架构自带的定时器，每1ms产生一次定时器中断
周期性设置MTIMECMP、MTIME寄存器

9、栈空间溢出检测

在这里插入图片描述

在构建TCB时，根据创建参数申请栈空间大小
在任务切换时，检查栈空间是否溢出
- 在申请栈时，将栈空间整个初始化成特殊值
- 在切换任务时，检查栈空间最低4个字节是不是特殊值（RISC-V使用满减栈）
- 如果不是特殊值，说明栈空间最后四个字节被使用过，此时判断栈溢出
如果栈溢出，则扩大栈空间，再次测试是否溢出，选择合适的栈空间

10、任务的删除过程分析

调用vTaskDelet( )函数删除任务：
- 把被删除TCB从挂接的链表中删除
- 判断是否需要更新当前就绪最高优先级，即uxTopReadyPriority变量
- 如果删除的是正在运行的任务：
  - 把TCB插入到xTasksWaitingTermination链表
- 如果删除的不是正在运行的任务：
  - 判断是否需要更新最近被唤醒任务的时间，即xNextTaskUnblockTime变量
  - 释放任务栈空间、TCB空间
空闲任务(prvIdleTask)
- 把被删除的任务TCB从xTasksWaitingTermination链表读取出来
- 释放任务栈空间、TCB空间