FreeRTOS系列第22篇---FreeRTOS任务切换分析

FreeRTOS任务相关的代码大约占总代码的一半左右，这些代码都在为一件事情而努力，即找到优先级最高的就绪任务，并使之获得CPU运行权。

任务切换是这一过程的直接实施者，为了更快的找到优先级最高的就绪任务，任务切换的代码通常都是精心设计的，甚至会用到汇编指令或者与硬件相关的特性，比如Cortex-M3的CLZ指令。

因此任务切换的大部分代码是由硬件移植层提供的，不同的平台，实现发方法也可能不同。

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这篇文章以Cortex-M3为例，讲述FreeRTOS任务切换的过程。

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「FreeRTOS有两种方法触发任务切换：」

• 执行系统调用，比如普通任务可以使用taskYIELD()强制任务切换，中断服务程序中使用portYIELD_FROM_ISR()强制任务切换；
• 系统节拍时钟中断

对于Cortex-M3平台，这两种方法的实质是一样的，都会使能一个PendSV中断，在PendSV中断服务程序中，找到最高优先级的就绪任务，然后让这个任务获得CPU运行权，从而完成任务切换。

对于第一种任务切换方法，不管是使用taskYIELD()还是portYIELD_FROM_ISR()，最终都会执行宏portYIELD()，这个宏的定义如下：

#define portYIELD()      \
{        \
 /*产生PendSV中断*/                          \
 portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;  \
}

对于第二种任务切换方法，在系统节拍时钟中断服务函数中，首先会更新tick计数器的值、查看是否有任务解除阻塞，如果有任务解除阻塞的话，则使能PandSV中断，代码如下所示：

void xPortSysTickHandler( void )
{
 /* 设置中断掩码 */
 vPortRaiseBASEPRI();
 {
  /* 增加tick计数器值，并检查是否有任务解除阻塞 */
  if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
  {
   /* 需要任务切换。产生PendSV中断 */
   portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
  }
 }
 vPortClearBASEPRIFromISR();
}

从上面的代码中可以看出，PendSV中断的产生是通过代码：

portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT

实现的，它向中断状态寄存器bit28位写入1，将PendSV中断设置为挂起状态;

等到优先级高于PendSV的中断执行完成后，PendSV中断服务程序将被执行，进行任务切换工作。

Cortex-M3架构下，PendSV中断服务程序源码如下所示，这篇文章重点分析这段代码。

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
 extern uxCriticalNesting;
 extern pxCurrentTCB;            /* 指向当前激活的任务 */
 extern vTaskSwitchContext;      
 
 PRESERVE8
 
 mrs r0, psp                   /* PSP内容存入R0 */    
 isb                           /* 指令同步隔离,清流水线 */
 
 ldr r3, =pxCurrentTCB     /* 当前激活的任务TCB指针存入R2 */
 ldr r2, [r3]
 
 stmdb r0!, {r4-r11}          /* 保存剩余的寄存器,异常处理程序执行前,硬件自动将xPSR、PC、LR、R12、R0-R3入栈 */
 str r0, [r2]       /* 将新的栈顶保存到任务TCB的第一个成员中 */
 
 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*/
 mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   /* 进入临界区 */
 msr basepri, r0
 dsb                         /* 数据和指令同步隔离 */
 isb
 bl vTaskSwitchContext        /* 调用函数,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                   /* 退出临界区*/
 msr basepri, r0
 ldmia sp!, {r3, r14}         /* 恢复R3和R14*/
 
 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
}

为了便于理解上面的代码，我们先用流程图的方式将整个过程画出来，然后再逐句分析代码。因为图形可以简化程序，并且信息更容易接受。

先强调图1-1中的几个术语，首先是“主堆栈指针MSP”和“进程堆栈指针PSP”。

对于Cortex-M3硬件，当系统复位后，默认使用MSP指针。

MSP指针用于操作系统内核以及处理异常（也就是说中断服务程序中默认强制使用MSP指针，这是硬件自动设置的）。

任务（进程）使用PSP指针，操作系统负责从MSP指针切换到PSP指针。

这个过程在《FreeRTOS高级篇3---启动调度器》一文的最后部分中「进行了讲解」：

在SVC中断服务程序中启动第一个任务，当从SVC中断服务退出前，通过向r14寄存器最后4位按位或上0x0D，使得硬件在退出时使用进程堆栈指针PSP完成出栈操作并返回后进入线程模式、返回Thumb状态。

其次，“堆栈”和“任务堆栈”也值得强调一下。

每个任务都有自己的“任务堆栈”，在任务创建时会创建指定大小的任务堆栈，这是任务能够独立运行的前提条件之一。

在任务中定义的局部变量，会优先使用寄存器，寄存器不够时就使用任务堆栈的空间。

如果在任务中调用其它函数，则调用前的保存信息也存到任务堆栈中去。

根据任务代码来估算任务堆栈的大小是件十分重要的技能。

前面也说了，Cortex-M3硬件有两个堆栈指针，操作系统内核以及异常处理程序中使用MSP指针，所以它们也需要一个堆栈空间，我们称之为“堆栈”；

这个堆栈空间和任务堆栈空间在物理上是绝对不可以重叠的，图1-2展示了一个编译好的程序可能的RAM分配情况（堆栈向下生长）。

有了上面的基础,接下来我们来分析PendSV中断服务程序。

mrs r0, psp 

是将任务堆栈指针PSP的值保存到寄存器R0中，因为接下来我们会将寄存器R4~R11也保存到任务堆栈中，但是我们没有哪个汇编指令能直接操作PSP完成入栈，所以只能借助R0。

ldr r3, =pxCurrentTCB      /* 当前激活的任务TCB指针存入R2 */
ldr r2, [r3]

这两句代码是获取当前激活的任务TCP指针，指针pxCurrentTCB前面文章已经提到过很多次了，它是位于tasks.c文件中定义的唯一一个全局指针型变量，指向当前激活的任务TCB。

stmdb r0!, {r4-r11}

这句代码用于将寄存器R4~R11保存到当前激活的程序任务堆栈中，并且同步更新寄存器R0的值。

str r0, [r2]

寄存器R2中保存当前激活的任务TCB指针，在《FreeRTOS高级篇2---FreeRTOS任务创建分析》中讲任务TCB数据结构时我们知道，任务TCB数据结构第一个成员一定是指向任务当前堆栈栈顶的指针变量pxTopOfStack。

这句代码将R0的内容保存到任务TCB数据结构的第一个成员pxTopOfStack中，也就是将最新的任务堆栈指针保存到任务TCB的pxTopOfStack字段中。

当任务被激活时，就是从这个字段中获取任务堆栈指针，然后完成数据出栈操作的。

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。

mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY   
msr basepri, r0

这两句代码用来进入临界区，中断优先级号大于等于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断都会被屏蔽。

bl vTaskSwitchContext

调用函数，选择下一个要执行的任务，也就是寻找处于就绪态的最高优先级任务。

变量pxCurrentTCB指向找到的任务TCB。这个函数是核心中的核心，所有的其它代码都是为了保证这个函数能正确运行。

某些运行FreeRTOS的硬件有两种方法：「通用方法和特定于硬件的方法」（以下简称“特殊方法”）。

1. 对于通用方法：

• configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION设置为0或者硬件不支持这种特殊方法。
• 可以用于所有FreeRTOS支持的硬件。
• 完全用C实现，效率略低于特殊方法。
• 不强制要求限制最大可用优先级数目

2. 对于特殊方法：

• 并非所有硬件都支持。
• 必须将configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION设置为1。
• 依赖一个或多个特定架构的汇编指令（一般是类似计算前导零[CLZ]指令）。
• 比通用方法更高效。
• 一般强制限定最大可用优先级数目为32（0~31）。

Cortex-M3即支持通用方法也支持特殊方法，默认的移植层使用特殊方法。我们先来看一下通用方法如何找到下一个要执行的任务。

在函数vTaskSwitchContext中使用宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()完成任务寻址工作，使用通用方法时，这个宏的代码如下所示。

pxReadyTasksLists是定义在tasks.c中的静态列表数组，表示就绪任务列表数组。

在《FreeRTOS高级篇2---FreeRTOS任务创建分析》中讲过这个变量：新创建任务的过程中，任务TCB中的状态列表项xStateListItem会挂接到就绪任务列表数组中。

uxTopReadyPriority也是定义在tasks.c中的静态变量，在此之前，它已经代表处于就绪态任务的最高优先级值；

在FreeRTOS任务创建与分析一文中，我们也讲到了这个变量：每次任务创建，都会判断新任务的优先级是否大于这个变量，如果大于，还会更新这个变量的值。

while()循环从优先级uxTopReadyPriority开始，从就绪列表数组pxReadyTasksLists中找出优先级最高的任务，然后调用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY获取最高优先级列表中的下一个列表项，并从该列表项中获取任务TCB指针赋给变量pxCurrentTCB。

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()        \
{                 \
  /* 从就绪列表数组中找出最高优先级列表*/    \
  while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) ) )  \
  {                \
    configASSERT( uxTopReadyPriority );        \
    --uxTopReadyPriority;           \
  }                \
                                  \
  /* 相同优先级的任务使用时间片共享处理器就是通过这个宏实现*/   \
  listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ) );   \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

对于Cortex-M3硬件，还支持特殊方法选择下一个要执行的任务，那就是利用硬件提供的计算前导零指令CLZ。

特殊方法时，宏taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()的代码如下所示。

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()        \
{                 \
UBaseType_t uxTopPriority;            \
                                  \
  /* 从就绪列表数组中找出最高优先级列表*/              \
  portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );   \
  listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

与通用方法相比，可以发现从就绪列表数组中找出最高优先级列表代码不同了，特殊方法使用宏portGET_HIGHEST_PRIORITY来实现，将宏定义替换后，代码为：

uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( (uxTopReadyPriority) ) )

在此之前，静态变量uxTopReadyPriority同样已经包含处于就绪态任务的最高优先级的信息。

与通用方法中使用任务优先级数值不同，在特殊方法中，uxTopReadyPriority使用每一位来表示任务，比如变量uxTopReadyPriority的bit0为1，则表示存在优先级为0的就绪任务，bit10为1则表示存在优先级为10的就绪任务。

由于32位整形数最多只有32位，因此使用这种特殊方法限定最大可用优先级数目为32，即优先级0~31。

我们这来看看__clz( (uxTopReadyPriority)是什么意思，__clz()会被汇编指令CLZ替换掉，这个指令用来计算一个变量从最高位开始的连续零的个数。

举个例子，假如变量uxTopReadyPriority为0x09（二进制为：0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001），即bit3和bit0为1，表示存在优先级为0和3的就绪任务。

则__clz( (uxTopReadyPriority)的值为28，uxTopPriority =31-28=3，即优先级为3的任务是就绪态最高优先级任务。

下面的代码跟通用方法一样，调用宏listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY获取最高优先级列表中的下一个列表项，并从该列表项中获取任务TCB指针赋给变量pxCurrentTCB。

mov r0, #0                   /* 退出临界区*/
msr basepri, r0

这两句代码用来退出临界区，通过向寄存器BASEPRI写入数值0来实现。

ldmia sp!, {r3, r14}

这句代码将寄存器R3和R14从堆栈中恢复，现在R3保存变量pxCurrentTCB的地址;

「需要注意的是」，变量pxCurrentTCB在函数vTaskSwitchContext中可能已被修改，指向新的最高优先级就绪任务；R14保存退出异常需要的信息。

ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]

这两句代码获取变量pxCurrentTCB指向的任务TCB指针，并将TCB的第一个成员——当前堆栈栈顶的指针变量pxTopOfStack的值保存到寄存器R0中，也就是将即将运行的任务堆栈栈顶值存入R0。

ldmia r0!, {r4-r11}

将寄存器R4~R11出栈，并同时更新R0的值。

msr psp, r0

将最新的任务堆栈栈顶赋值给线程堆栈指针PSP。

bx r14

从异常中断服务程序退出。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。

至此，任务切换完成。