RTOS任务切换原理

发表于 2024/01/16

作者 Hjw-Arch 11 分钟阅读

代码在这里

任务是什么？

任务的外观：一个永远不会返回的函数。
- 无返回值
- 单个void *参数，即可以传递任意参数
- 永远不会返回，任务内一般是一个死循环
任务的内在： 一个函数的执行
- 分为堆、栈、数据区、代码区
- 代码区由程序员实现，存放编写的代码
- 通过代码可以控制寄存器进行运算等操作
- 数据区的分布由编译器根据代码自动实现
- 堆、栈由编译器自动控制，同时也可以由代码来显示控制
- 内核寄存器主要也由编译器自动控制，看代码需要来分配哪些寄存器使用

任务切换原理

本质

保存前一任务当前的运行状态，恢复后一任务之前的运行状态**

不保存会怎么样？一个简单的例子：假如任务1即将运算R12+1，此时发生任务切换，任务2将R12的值更改，那么再次切换回任务1时，计算R12+1的结果就不是预期值！

任务运行状态

** 发生任务切换时，我们需要保存哪些东西？
** 前面我们提到，任务的内在就是一个函数的执行，可以分为堆、栈、数据区、代码区，代码执行时会用到内核寄存器

代码区、数据区：由编译器自动分配，每个函数有自己独立的代码区和数据区，并不冲突，因此也不需要保存。
堆：一般不使用。
栈：硬件只支持两个堆栈空间，不同任务不能共用！原理同上一个info。
内核寄存器：编译器会在发生如：函数调用、异常处理等情况时自动将某些内核寄存器保存到栈中，但仍有一些是没有被保存的，例如上一个info中的R12寄存器。
还有一些其他的状态数据，也需要保存。 ** 因此我们需要保存的有：一些未被硬件自动保存的内核寄存器、一些其它的状态数据、栈（指针）。

保存任务运行状态

** 保存方法：为每个任务配置独立的栈空间，用于保存该任务的所有状态数据。这个栈中存放编译器自动保存的数据、内核寄存器的值以及其它的状态数据。

切换原理

发生任务切换时，将当前任务的运行状态保存到该任务的栈空间，同时从下一个任务的栈空间中恢复该任务的运行状态。

任务切换的实现

代码定义任务

  
// 定义任务堆栈的类型为uint32
typedef uint32_t taskStack_t;

// 定义任务结构
typedef struct _t_Task {
	taskStack_t *stack;  // 任务的栈指针
}task_t;

当前的任务结构，只有一个任务栈指针。

任务初始化

要实现切换任务，首先需要实现对任务的初始化。因为任务有任务的运行状态，我们需要初始化这个状态，也就是向任务的栈空间中预存任务的初始运行状态。这样在进入PendSVC异常的时候，我们就可以将这些预存的状态恢复到CPU。
在初始化中，我们需要在任务的栈中保存xPSR、PC(R15)、LR(R14)、R12以及R3-R0, R11-R4。因为在进入异常的时候，硬件会自动按顺序保存xPSR、PC(R15)、LR(R14)、R12以及R3-R0这些寄存器，我们需手动保存R11-R4寄存器。

  
// 任务初始化
void taskInit (task_t* task, void (*entry)(void*), void* param, taskStack_t* stack) {
	// 进入中断/异常时， 硬件会自动将8个寄存器压栈，顺序是xPSR、PC(R15)、LR(R14)、R12以及R3-R0
	*(--stack) = (unsigned long)(1 << 24); // xPSR中第24位，即T标志位设置为1，否则进入ARM模式，这在CM3上不允许！
	*(--stack) = (unsigned long)entry;	// 任务的地址（函数地址）
	*(--stack) = (unsigned long)0x14;
	*(--stack) = (unsigned long)0x12;
	*(--stack) = (unsigned long)0x03;
	*(--stack) = (unsigned long)0x02;
	*(--stack) = (unsigned long)0x01;
	*(--stack) = (unsigned long)param;
	
	// 手动保存R11-R4寄存器
	*(--stack) = (unsigned long)0x11;
	*(--stack) = (unsigned long)0x10;
	*(--stack) = (unsigned long)0x09;
	*(--stack) = (unsigned long)0x08;
	*(--stack) = (unsigned long)0x07;
	*(--stack) = (unsigned long)0x06;
	*(--stack) = (unsigned long)0x05;
	*(--stack) = (unsigned long)0x04;
	
		
	task->stack = stack;
}

我们在PendSVC异常中，需要手动恢复R11-R4寄存器，随后将栈指针（PSP）指向R0寄存器在栈中的位置，这样在退出PendSVC异常的时候，硬件会自动从PSP寄存器指向的地址开始依次弹出R0-R3, R12, R14, R15, xPSR。因为我们指定了PC(R15)寄存器，因此在退出异常之后，就会到PC指向的地址开始运行，也就实现了切换到另一个任务。

运行第一个任务

要运行第一个任务，按上述理论，只需将第一个任务进行初始化，然后在PendSVC异常中进行恢复即可。

  
__asm void PendSV_Handler (void) {
	IMPORT currentTask		// 指针，指向当前运行的任务
	IMPORT nextTask			// 指向下一个要运行的任务
	
	MRS R0, PSP
	CBZ R0, noSave 			// 检测标志位，是第一个任务就跳过保存阶段
	
	STMDB R0!, {R4-R11}     // 手动保存R4-R11到当前任务的栈空间，其它的寄存器已经被硬件自动保存
	
	LDR R1, =currentTask    
	LDR R1, [R1]
	STR R0, [R1]			// 将更新后的栈指针保存到当前任务的栈指针中
	
noSave
	LDR R0, =currentTask
	
	LDR R1, =nextTask
	LDR R1, [R1]
	STR R1, [R0]			// 更新currenttask指向nexttask
	
	LDR R0, [R1]
	LDMIA R0!, {R4-R11}     // 从nexttask中手动恢复R4-R11
	
	MSR PSP, R0				// 更新PSP，主要是跳过R4-R11，指向保存R0的地址，以便退出异常时硬件自动恢复寄存器
	ORR LR, LR, #0x04		// 指定LR，即指定退出异常后使用PSP指针而不是MSP
	BX LR
}

因为第一次进入第一个任务，没有运行状态需要保存，只需要从第一个任务的栈中恢复运行状态就可以了。因此在第一次运行第一个任务之前将PSP置0，作为标志位来跳过保存阶段。当然，也可以设置currenttask为一个无意义的地址，这样进行保存也没什么，就可以省略用标志位这一步。
到此为止就实现了简单的任务切换。

实现任务延时

软定时器

要实现任务延时，需要使用定时器，而且每个任务都配备一个定时器才行，但是硬件只有一个定时器而任务数量很多，因此可以利用SysTick这个硬件定时器来实现软定时器。因为SysTick周期性触发中断，因此可以以这个周期为最基本的软件定时器的时间单位。每触发一次SysTick就将软定时器的值-1即可，因此软定时器的定时时间都是SysTick中断的倍数。中断处理也需要时间，不能太频繁这样会导致系统在切换任务这个事情上占用太多资源，本末倒置，一般设置为10ms-100ms就可以。

软定时器延时精度并不准确，要注意使用场合 eg：延时一个单位，在两个SysTick中间开始延时，那么只能延时半个SysTick中断周期。假如在将要触发定时器中断的时候发生了更高级别的中断，会导致延时时间变长