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Freertos任务切换

article 2024/12/27 5:18:38

一、操作系统进行任务切换的时机：

在这里插入图片描述采用信号量实现任务的互斥：

二、FreeRTOS 任务切换场合

PendSV 中断的时候提到了上下文(任务)切换被触发的场合：
● 可以执行一个系统调用
● 系统滴答定时器(SysTick)中断。

1、执行系统调用
执行系统调用就是执行 FreeRTOS系统提供的相关API函数，比如任务切换函数 taskYIELD()，
FreeRTOS 有些 API 函数也会调用函数 taskYIELD()，这些 API 函数都会导致任务切换，这些 API 函数和任务切换函数 taskYIELD()都统称为系统调用。

在这里插入图片描述
2、系统滴答定时器(SysTick)中断
(1)、关闭中断
(2)、通过向中断控制和壮态寄存器 ICSR 的 bit28 写入 1 挂起 PendSV 来启动 PendSV 中断。这样就可以在 PendSV 中断服务函数中进行任务切换了。
(3)、打开中断。

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三、查找下一个要运行的任务

在这里插入图片描述

(1)、如果调度器挂起那就不能进行任务切换。
(2)、调用函数 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()获取下一个要运行的任务。
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()本质上是一个宏，在 tasks.c 中有定义。
FreeRTOS 中查找下一个要运行的任务有两种方法：一个是通用的方法，另外一个就是使用
硬件的方法，这个在我们讲解 FreeRTOSCofnig.h 文件的时候就提到过了，至于选择哪种方法通
过宏 configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 来决定的。当这个宏为 1 的时候就使
用硬件的方法，否则的话就是使用通用的方法
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四、任务的状态

在 FreeRTOS 中，当一个任务就绪后会自动插入就绪列表。
任务状态和就绪列表的概念
FreeRTOS 中的任务有多种状态，如就绪（Ready）、运行（Running）、阻塞（Blocked）和挂起（Suspended）。就绪状态的任务是已经准备好运行，等待调度器分配 CPU 时间来执行。就绪列表是一个数据结构，用于保存所有处于就绪状态的任务。
调度器会从就绪列表中选择一个任务来运行，这个选择过程是基于调度算法的，比如抢占式优先级调度算法，它会选择优先级最高的就绪任务来运行。
任务就绪的触发机制和插入过程
当一个任务创建成功并且其状态变为就绪时，例如任务创建函数xTaskCreate创建一个任务后，如果任务的初始状态是就绪（没有被阻塞或挂起），它会被自动插入就绪列表。
另外，当一个任务从阻塞状态（如等待一个信号量、消息队列或者定时器超时等情况）恢复到就绪状态时，系统也会自动将该任务插入就绪列表。这个过程是由 FreeRTOS 的内核机制来处理的，对于开发者来说是透明的。例如，一个任务因为等待一个信号量而阻塞，当信号量被释放后，等待该信号量的任务就会从阻塞状态转换为就绪状态，然后自动插入就绪列表，等待调度器调度运行。
所以，FreeRTOS 很好地管理了任务的状态转换和就绪列表的维护，确保就绪任务能够按照调度策略有机会得到执行。

五、Freertos时间片调度

FreeRTOS 支持多个任务同时拥有一个优先级，这些任务的调度是一个值得考虑的问题。在 FreeRTOS 中允许一个任务运行一个时间片(一个时钟节拍的长度)后让出 CPU 的使用权，让拥有同优先级的下一个任务运行，至于下一个要运行哪个任务？FreeRTOS 中的这种调度方法就是时间片调度。展示了运行在同一优先级下的执行时间图，在优先级 N 下有 3 个就绪的任务。
在这里插入图片描述
1、任务 3 正在运行。
2、这时一个时钟节拍中断(滴答定时器中断)发生，任务 3 的时间片用完，但是任务 3 还
没有执行完。
3、FreeRTOS 将任务切换到任务 1，任务 1 是优先级 N 下的下一个就绪任务。
4、任务 1 连续运行至时间片用完。
5、任务 3 再次获取到 CPU 使用权，接着运行。
6、任务 3 运行完成，调用任务切换函数 portYIELD()强行进行任务切换放弃剩余的时间片，
从而使优先级 N 下的下一个就绪的任务运行。
7、FreeRTOS 切换到任务 1。
8、任务 1 执行完其时间片。
要使用时间片调度的话宏 configUSE_PREEMPTION 和宏 configUSE_TIME_SLICING 必须
为 1。时间片的长度由宏 configTICK_RATE_HZ 来确定，一个时间片的长度就是滴答定时器的
中断周期，比如本教程中 configTICK_RATE_HZ 为 1000，那么一个时间片的长度就是 1ms。时
间片调度发生在滴答定时器的中断服务函数中，前面讲解滴答定时器中断服务函数的时候说了
在中断服务函数 SysTick_Handler()中会调用 FreeRTOS 的 API 函数 xPortSysTickHandler()，而函
数 xPortSysTickHandler() 会引发任务调度，但是这个任务调度是有条件的，函数
xPortSysTickHandler()如下：
在这里插入图片描述
上述代码中红色部分表明只有函数 xTaskIncrementTick()的返回值不为 pdFALSE 的时候就
会进行任务调度！查看函数 xTaskIncrementTick()会发现有如下条件编译语句：

(1)、当宏 configUSE_PREEMPTION 和宏 configUSE_PREEMPTION 都为 1 的时候下面的
代码才会编译。所以要想使用时间片调度的话这这两个宏都必须为 1，缺一不可！
(2)、判断当前任务所对应的优先级下是否还有其他的任务。
(3)、如果当前任务所对应的任务优先级下还有其他的任务那么就返回 pdTRUE。
从上面的代码可以看出，如果当前任务所对应的优先级下有其他的任务存在，那么函数
xTaskIncrementTick() 就会返回 pdTURE ，由于函数返回值为 pdTURE 因此函数
xPortSysTickHandler()就会进行一次任务切换。