【学习日记】【FreeRTOS】任务调度时如何考虑任务优先级——任务的自动切换

写在前面

本文开始为 RTOS 加入考虑任务优先级的自动调度算法，代码大部分参考野火。
本文主要是一篇学习笔记，加入了笔者自己对野火代码的梳理和理解。

一、基本思路

  • 首先我们要知道，在 RTOS 中，优先级越高、越需要被先执行的的任务的优先级的数字越大。比如优先级数字为 5 的任务就要比 优先级数字为 1 的任务先执行。
  • 在之前我们定义过就绪列表。所谓就绪列表，就是一个包含多条链表的数组，其中的每条链表又包含多个 TCB 作为列表的多个节点。现在，我们要把相同优先级的任务放入同一条链表中，而优先级越高的链表在就绪列表中下标越大。如图：
    在这里插入图片描述
  • 所以，我们需要把不在延时中的任务放进就绪列表中，然后按照优先级的大小进行切换执行；而如果任务进入了就绪状态，就将其从就绪列表中剔除。

二、代码实现

依据上面的思路，我们需要：

  • 一个记录就绪任务的最高优先级的变量
  • 一个设置就绪任务的最高优先级的变量的函数
  • 一个清除记录就绪任务的最高优先级的变量的函数
  • 一个让当前任务指针切换到最高优先级任务的函数
  • TCB 中要增加一个优先级的参数
  • 修改了 TCB 后，相关的任务创建函数需要修改
  • 如果任务进入延时，把它的就绪状态清除
  • 修改任务切换函数，使其找到优先级最高的任务执行
  • 修改计时函数，当有任务的延时结束，使其变回就绪状态

1. 记录就绪任务的最高优先级的变量

初始化为空闲任务的优先级，也就是最低的优先级 0：

#define tskIDLE_PRIORITY			       ( ( UBaseType_t ) 0U )

static volatile UBaseType_t uxTopReadyPriority 		= tskIDLE_PRIORITY;

2. 设置、清除、选择就绪任务的最高优先级的变量的函数

① 通用方法

一种很朴素的想法是，使用上面定义的变量 uxTopReadyPriority 直接记录当前可执行的最高优先级。

  • 设置函数：
#define taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )														\
	{																									\
		if( ( uxPriority ) > uxTopReadyPriority )														\
		{																								\
			uxTopReadyPriority = ( uxPriority );														\
		}																								\
	} /* taskRECORD_READY_PRIORITY */
  • 选择优先级最高任务的函数：
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()															\
	{																									\
	UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;														\
																										\
		/* 寻找包含就绪任务的最高优先级的队列 */                                                          \
		while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) )							\
		{																								\
			--uxTopPriority;																			\
		}																								\
																										\
		/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */							            \
		listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );			\
		/* 更新uxTopReadyPriority */                                                                    \
		uxTopReadyPriority = uxTopPriority;																\
	} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

② 优化方法

下面这段话是野火教程的解释：

所谓优化方法，就是使用Cortex-M 内核一个计算前导零的指令
CLZ，所谓前导零就是计算一个变量（Cortex-M 内核单片机的变量为 32位）从高位开始第
一次出现 1 的位的前面的零的个数。比如：一个 32 位的变量 uxTopReadyPriority，其位 0、
位 24 和 位 25 均 置 1 ， 其 余 位 为 0 ， 具 体 见 。 那 么 使 用 前 导 零 指 令 __CLZ
(uxTopReadyPriority)可以很快的计算出 uxTopReadyPriority 的前导零的个数为 6。
在这里插入图片描述
如果 uxTopReadyPriority 的每个位号对应的是任务的优先级，任务就绪时，则将对应
的位置 1，反之则清零。那么图 10-2 就表示优先级 0、优先级 24 和优先级 25 这三个任务
就绪，其中优先级为 25的任务优先级最高。利用前导零计算指令可以很快计算出就绪任务
中的最高优先级为：( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) ) = ( 31UL - ( uint32_t )
6 ) = 25。

  • 设置函数
#define taskRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority )	portRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority, uxTopReadyPriority )

#define portRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority, uxReadyPriorities ) ( uxReadyPriorities ) |= ( 1UL << ( uxPriority ) )
  • 清除函数
#define taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority )											            \
    {																							        \
            portRESET_READY_PRIORITY( ( uxPriority ), ( uxTopReadyPriority ) );					        \
    }


#define portRESET_READY_PRIORITY( uxPriority, uxReadyPriorities ) ( uxReadyPriorities ) &= ~( 1UL << ( uxPriority ) )
  • 选择函数
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()														    \
	{																								    \
	UBaseType_t uxTopPriority;																		    \
																									    \
		/* 寻找最高优先级 */								                            \
		portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );								    \
		/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */                                       \
		listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );		    \
	} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

3. 修改 TCB 和相关的 TCB 创建函数

① 修改 TCB

增加 UBaseType_t uxPriority; /* 用于优先级 */ 参数：

typedef struct tskTaskControlBlock
{
	volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 栈顶 */

	ListItem_t			    xStateListItem;   /* 任务节点 */
    
    StackType_t             *pxStack;         /* 任务栈起始地址 */
	                                          /* 任务名称，字符串形式 */
	char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];  

	TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延时 */
	
	UBaseType_t			uxPriority;	/* 用于优先级 */
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

② 修改静态任务创建函数：

调用任务初始化函数并将任务添加到就绪列表：

TaskHandle_t xTaskCreateStatic(	TaskFunction_t pxTaskCode,           /* 任务入口 */
					            const char * const pcName,           /* 任务名称，字符串形式 */
					            const uint32_t ulStackDepth,         /* 任务栈大小，单位为字 */
					            void * const pvParameters,           /* 任务形参 */
                                UBaseType_t uxPriority,              /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 */
					            StackType_t * const puxStackBuffer,  /* 任务栈起始地址 */
					            TCB_t * const pxTaskBuffer )         /* 任务控制块 */
{
	TCB_t *pxNewTCB;
	TaskHandle_t xReturn;

	if( ( pxTaskBuffer != NULL ) && ( puxStackBuffer != NULL ) )
	{		
		pxNewTCB = ( TCB_t * ) pxTaskBuffer; 
		pxNewTCB->pxStack = ( StackType_t * ) puxStackBuffer;

		/* 创建新的任务 */
		prvInitialiseNewTask( pxTaskCode, pcName, ulStackDepth, pvParameters,uxPriority, &xReturn, pxNewTCB);
        
		/* 将任务添加到就绪列表 */
		prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB );
	}
	else
	{
		xReturn = NULL;
	}

	/* 返回任务句柄，如果任务创建成功，此时xReturn应该指向任务控制块 */
    return xReturn;
}

③ 修改任务初始化函数

主要是初始化了任务的优先级：

static void prvInitialiseNewTask( 	TaskFunction_t pxTaskCode,              /* 任务入口 */
									const char * const pcName,              /* 任务名称，字符串形式 */
									const uint32_t ulStackDepth,            /* 任务栈大小，单位为字 */
									void * const pvParameters,              /* 任务形参 */
                                    UBaseType_t uxPriority,                 /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 */
									TaskHandle_t * const pxCreatedTask,     /* 任务句柄 */
									TCB_t *pxNewTCB )                       /* 任务控制块 */

{
	StackType_t *pxTopOfStack;
	UBaseType_t x;	
	
	/* 获取栈顶地址 */
	pxTopOfStack = pxNewTCB->pxStack + ( ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 );
	//pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );
	/* 向下做8字节对齐 */
	pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( uint32_t ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( uint32_t ) 0x0007 ) ) );	

	/* 将任务的名字存储在TCB中 */
	for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ )
	{
		pxNewTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ];

		if( pcName[ x ] == 0x00 )
		{
			break;
		}
	}
	/* 任务名字的长度不能超过configMAX_TASK_NAME_LEN */
	pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';

    /* 初始化TCB中的xStateListItem节点 */
    vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );
    /* 设置xStateListItem节点的拥有者 */
	listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );
    
	/* 初始化优先级 */
	if( uxPriority >= ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES )
	{
		uxPriority = ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( UBaseType_t ) 1U;
	}
	pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
    
    /* 初始化任务栈 */
	pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters );   


	/* 让任务句柄指向任务控制块 */
    if( ( void * ) pxCreatedTask != NULL )
	{		
		*pxCreatedTask = ( TaskHandle_t ) pxNewTCB;
	}
}

④ 增加将新创建的任务添加到就绪列表的函数

  • 修改任务个数计数器
  • 调用任务插入就绪列表函数
static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )
{
	/* 进入临界段 */
	taskENTER_CRITICAL();
	{
		/* 全局任务计数器加一操作 */
        uxCurrentNumberOfTasks++;
        
        /* 如果pxCurrentTCB为空，则将pxCurrentTCB指向新创建的任务 */
		if( pxCurrentTCB == NULL )
		{
			pxCurrentTCB = pxNewTCB;

			/* 如果是第一次创建任务，则需要初始化任务相关的列表 */
            if( uxCurrentNumberOfTasks == ( UBaseType_t ) 1 )
			{
				/* 初始化任务相关的列表 */
                prvInitialiseTaskLists();
			}
		}
		else /* 如果pxCurrentTCB不为空，则根据任务的优先级将pxCurrentTCB指向最高优先级任务的TCB */
		{
				if( pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority )
				{
					pxCurrentTCB = pxNewTCB;
				}
		}
		uxTaskNumber++;
        
		/* 将任务添加到就绪列表 */
        prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );

	}
	/* 退出临界段 */
	taskEXIT_CRITICAL();
}

⑤ 修改将任务添加到就绪列表的函数

  • 修改优先级就绪变量
  • 将任务按照优先级大小插入对应的列表下标链表中：
/* 将任务添加到就绪列表 */                                    
#define prvAddTaskToReadyList( pxTCB )																   \
	taskRECORD_READY_PRIORITY( ( pxTCB )->uxPriority );												   \
	vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[ ( pxTCB )->uxPriority ] ), &( ( pxTCB )->xStateListItem ) ); \

3. 修改任务阻塞延时函数

  • 把任务从就绪列表中移除（因为我们现在还没有延时链表，所以先不做这个）
  • 将任务的优先级就绪变量清除
void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    
    /* 获取当前任务的TCB */
    pxTCB = pxCurrentTCB;
    
    /* 设置延时时间 */
    pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;
    
    /* 将任务从就绪列表移除 */
    //uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
    taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
    
    /* 任务切换 */
    taskYIELD();
}

4. 修改任务切换函数

  • 寻找优先级最高的就绪任务执行即可：
/* 任务切换，即寻找优先级最高的就绪任务 */
void vTaskSwitchContext( void )
{
	/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB，然后更新到pxCurrentTCB */
    taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
}
  • taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() 在上文已经定义

5. 修改计时函数

当有任务的延时结束，使其变回就绪状态：

void xTaskIncrementTick( void )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    BaseType_t i = 0;
    
    const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
    xTickCount = xConstTickCount;

    
    /* 扫描就绪列表中所有线程的remaining_tick，如果不为0，则减1 */
	for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
	{
        pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );
		if(pxTCB->xTicksToDelay > 0)
		{
			pxTCB->xTicksToDelay --;
            
            /* 延时时间到，将任务就绪 */
            if( pxTCB->xTicksToDelay ==0 )
            {
                taskRECORD_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
            }
		}
	}
    
    /* 任务切换 */
    portYIELD();
}

三、结果展示

/* 创建任务 */
    Task1_Handle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)Task1_Entry,   /* 任务入口 */
					                  (char *)"Task1",               /* 任务名称，字符串形式 */
					                  (uint32_t)TASK1_STACK_SIZE ,   /* 任务栈大小，单位为字 */
					                  (void *) NULL,                 /* 任务形参 */
                                      (UBaseType_t) 1,               /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 */
					                  (StackType_t *)Task1Stack,     /* 任务栈起始地址 */
					                  (TCB_t *)&Task1TCB );          /* 任务控制块 */
    /* 将任务添加到就绪列表 */                                 
    //vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[1] ), &( ((TCB_t *)(&Task1TCB))->xStateListItem ) );
                                
    Task2_Handle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)Task2_Entry,   /* 任务入口 */
					                  (char *)"Task2",               /* 任务名称，字符串形式 */
					                  (uint32_t)TASK2_STACK_SIZE ,   /* 任务栈大小，单位为字 */
					                  (void *) NULL,                 /* 任务形参 */
                                      (UBaseType_t) 2,               /* 任务优先级，数值越大，优先级越高 */                                          
					                  (StackType_t *)Task2Stack,     /* 任务栈起始地址 */
					                  (TCB_t *)&Task2TCB );          /* 任务控制块 */ 
    /* 将任务添加到就绪列表 */                                 
    //vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[2] ), &( ((TCB_t *)(&Task2TCB))->xStateListItem ) );
                                      
    /* 启动调度器，开始多任务调度，启动成功则不返回 */
    vTaskStartScheduler();

创建两个任务，在两个任务中分别对两个标志变量进行 电平变换-延时-电平变换 的循环操作，结果如下：
在这里插入图片描述
可以看到，两个标注变量几乎同时进行电平切换，CPU 没有被延时阻塞。
在这里插入图片描述
而且任务 2 由于设置的优先级比任务 1 高，所以电平先切换为高，优先级切换的功能添加成功。

后记

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如果您发现本文的问题，欢迎在评论区或者私信共同探讨！
共勉！

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项目介绍 项目来源 本项目实现了一个高并发内存池&#xff0c;参考了Google的开源项目tcmalloc实现的简易版&#xff1b;其功能就是实现高效的多线程内存管理。由功能可知&#xff0c;高并发指的是高效的多线程&#xff0c;而内存池则是实现内存管理的。 tcmalloc源码 项目…
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redis的基础命令01

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1、操作库的指令 1、清除当前库---flushdb 2、清除所有库---flushAll 2、操作key的指令 最常用的指令get、set 1&#xff09;set key value 2&#xff09;get key 基础指令 1、del 删除单个&#xff1a;del key 、批量删除&#xff1a;del key1 key2 key3 2、exists 判断key是否…
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pycharm配置conda虚拟环境

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&#x1f4d5;作者简介&#xff1a;热编程的贝贝&#xff0c;致力于C/C、Java、Python等多编程语言&#xff0c;热爱跑步健身&#xff0c;喜爱音乐的一位博主。 &#x1f4d7;本文收录于贝贝的日常汇报系列&#xff0c;大家有兴趣的可以看一看 &#x1f4d8;相关专栏深度学习、…
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PoseiSwap 更新质押系统，并将在 8 月18 日开启“Trident ”快照

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自 DeFi Summer 后&#xff0c;DeFi 设施整体的形态并未发生本质的变化&#xff0c;我们看到 DeFi 应用仍旧不具向外长期捕获价值、用户的能力&#xff0c;老旧叙事导致 DeFi 赛道整体的发展停滞不前。伴随着行业进入到下行周期&#xff0c;DeFi 赛道的资金、用户不断出逃&…
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