【学习日记】【FreeRTOS】手动任务切换详解

前言

本文是关于 FreeRTOS 中实现两个任务轮流切换并执行的代码详解。目前不支持优先级，仅实现两个任务轮流切换。

一、任务的自传

任务从生到死的过程究竟是怎么样的呢？（其实也没死），这个问题一直困扰着我，单纯看野火的讲解有点云里雾里，所有自己捋了一遍嘿嘿:P。

下面这个图描述了任务的创建，调度器的使用以及手动切换任务的过程（这时还没用到优先级进行任务切换）。
在这里插入图片描述

二、任务切换相关函数详解

1. taskYIELD()

其实是一个宏定义，代码如下：

#define taskYIELD()			portYIELD()

用于在任务执行完成后手动调用进行任务切换：

/* 任务 */
void Task1_Entry( void *p_arg )
{
	for( ;; )
	{
		//下面是任务代码
		
		/* 任务切换，这里是手动切换 */
        taskYIELD();
	}
}

2. portYIELD()

通过设置标志位触发 PendSV 中断
代码如下：

#define portYIELD()																\
{																				\
	/* 触发PendSV，产生上下文切换 */								                \
	portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;								\
	__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
	__isb( portSY_FULL_READ_WRITE );											\
}

其中标志位定义如下：

#define portNVIC_PENDSVSET_BIT		( 1UL << 28UL )

该标志位定义的根据是
PM0056Programming manual
STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual

3. xPortPendSVHandler()

该函数即 PendSVC Handler
函数分为五个部分
① 上个任务运行环境的保存（将CPU寄存器的值保存到任务栈中）
② 调用任务指针切换函数前对寄存器的保护
③ 调用任务指针切换函数，使任务指针指向新的任务
④ 调用任务指针切换函数后对寄存器的恢复
⑤ 下个任务运行环境的加载（将任务栈中的值加载到CPU寄存器）
函数代码如下：

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
	extern pxCurrentTCB;
	extern vTaskSwitchContext;

	PRESERVE8
//1. 上个任务运行环境的保存（将CPU寄存器的值保存到任务栈中）
    /* 当进入PendSVC Handler时，上一个任务运行的环境即：
       xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）
       这些CPU寄存器的值会自动保存到任务的栈中，剩下的r4~r11需要手动保存 */
    /* 获取任务栈指针到r0 */
	mrs r0, psp
	isb

	ldr	r3, =pxCurrentTCB		/* 加载pxCurrentTCB的地址到r3 */
	ldr	r2, [r3]                /* 加载pxCurrentTCB到r2 */

	stmdb r0!, {r4-r11}			/* 将CPU寄存器r4~r11的值存储到r0指向的地址 */
	str r0, [r2]                /* 将任务栈的新的栈顶指针存储到当前任务TCB的第一个成员，即栈顶指针 */				
                   
	
//2. 调用任务指针切换函数前对寄存器的保护
	stmdb sp!, {r3, r14}        /* 将R3和R14临时压入堆栈，因为即将调用函数vTaskSwitchContext,
                                  调用函数时,返回地址自动保存到R14中,所以一旦调用发生,R14的值会被覆盖,因此需要入栈保护;
                                  R3保存的当前激活的任务TCB指针(pxCurrentTCB)地址,函数调用后会用到,因此也要入栈保护 */
	
//3. 调用任务指针切换函数，使任务指针指向新的任务	
	mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    /* 进入临界段 */
	msr basepri, r0
	dsb
	isb
	bl vTaskSwitchContext       /* 调用函数vTaskSwitchContext，寻找新的任务运行,通过使变量pxCurrentTCB指向新的任务来实现任务切换 */ 
	mov r0, #0                  /* 退出临界段 */
	msr basepri, r0
	

//4. 调用任务指针切换函数后对寄存器的恢复
	ldmia sp!, {r3, r14}        /* 恢复r3和r14 */

	
//5. 下个任务运行环境的加载（将任务栈中的值加载到CPU寄存器）
	ldr r1, [r3]
	ldr r0, [r1] 				/* 当前激活的任务TCB第一项保存了任务堆栈的栈顶,现在栈顶值存入R0*/
	ldmia r0!, {r4-r11}			/* 出栈 */
	msr psp, r0
	isb
	bx r14                      /* 异常发生时,R14中保存异常返回标志,包括返回后进入线程模式还是处理器模式、
                                   使用PSP堆栈指针还是MSP堆栈指针，当调用 bx r14指令后，硬件会知道要从异常返回，
                                   然后出栈，这个时候堆栈指针PSP已经指向了新任务堆栈的正确位置，
                                   当新任务的运行地址被出栈到PC寄存器后，新的任务也会被执行。*/
	nop
}

4. vTaskSwitchContext()

其实就是对 pxCurrentTCB 进行了手动更新，目前还很粗糙。

//任务切换函数
void vTaskSwitchContext( void )
{    
    /* 两个任务轮流切换 */
    if( pxCurrentTCB == &Task1TCB )
    {
        pxCurrentTCB = &Task2TCB;
    }
    else
    {
        pxCurrentTCB = &Task1TCB;
    }
}