RTOS原理与实现02：基本任务切换

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1. 任务定义与切换原理

1.1 任务是什么

1.1.1 任务的外观

任务的外观：一个永不返回的函数

💡

说明：使用void *类型形参，确保可以传入任意类型的参数

1.1.2 任务的内在

任务的内在：一个函数的执行

代码段和数据区由编译器在编译代码时自动分配与控制

堆的分配和使用由程序员控制

C代码中一般不会显式使用栈，将由编译器完成；在汇编代码中，程序员可以设置栈的位置并使用

C代码也不会显示使用寄存器，也是由编译器完成

个人：代码区 + 数据区 + 栈 + 堆可以理解为任务的实体 + 运行环境

1.2 任务切换原理

1.2.1 任务切换的本质

任务切换的本质：保存前一任务（prev）的当前运行状态，恢复后一任务（next）之前的运行状态，并切换到该任务运行

1.2.2 要保存哪些任务运行状态

代码区 & 数据区：由编译器自动分配，各个任务相互独立，并不冲突

堆：由程序员定义并使用，对堆操作的句柄保存在栈中。不使用

栈：内核硬件只支持两个栈空间（MSP & PSP），而不同任务的栈不能共用，所以需要给每个任务设置自己的栈空间

寄存器：编译器会在某些时刻将寄存器保存到栈中（e.g. 函数调用，异常处理），如果其他寄存器也会被破坏，则需要程序员自己保存

其他需要保存的状态数据

1.2.3 任务运行状态保存方案

解决方案：为每个任务分配独立的栈，用于保存该任务的所有状态数据

在进行任务切换时，

将前一（prev）任务的当前状态保存在该任务的栈中

找到下一（next）任务的栈，然后从该栈中恢复任务状态

1.3 设计实现

1.3.1 类型定义

栈类型：Cortex-M中对栈操作的单位为4B，所以使用uint32_t类型

任务类型：每个任务的栈地址，均保存在任务结构体中，即TCB中

1.3.2 任务定义与初始化

2. 任务切换的实现

2.1 设计目标

💡

说明：在本节实现中，任务切换由任务主动调用tTaskSched函数实现

2.2 任务切换原理

2.2.1 如何启动初始任务

上电启动后，系统进入特权级线程模式（线程模式 + MSP），而任务一般运行在用户级线程模式（线程模式 + PSP）

设置任务初始栈：也就是设置初始任务的内核寄存器值、其他状态数据等。这些初始栈代表了程序运行的初始状态。

触发任务切换，使用任务初始栈内容填充任务运行状态。

💡

说明2：在设置任务初始栈时，会将任务函数入口地址（task entry）填入PC寄存器对应的位置，这样在执行任务切换后，CPU即可运行任务函数

2.2.2 如何实现任务切换

将当前任务运行状态保存到当前任务栈中。说明：此处的任务运行状态保存分为2部分，

硬件自动保存部分（进入pendSV异常时硬件自动保存），硬件保存的数据也是保存在系统当前使用的栈中，也就是当前任务的栈中。

💡

M3处理器会自动保存xPSR、PC、LR、R12、R0~R3寄存器

程序员自行保存部分。需要通过软件保存R4~R11寄存器

找到下一任务，并用下一任务的任务栈恢复该任务运行环境。与任务状态的保存类似，任务状态的恢复也分为

硬件自动恢复部分
程序员自行恢复部分

💡

在任务切换函数中，只需要完成程序员自行恢复部分即可

2.3 设计实现

2.3.1 设置任务初始栈

💡

说明1：任务初始化栈，是任务首次运行时的环境。由于是任务首次运行，软硬件均为设置过该任务的栈，所以此时同时初始化了由硬件保存的部分和由程序员保存的部分

💡

说明2：任务初始化栈设置注意事项

硬件自动保存状态部分必须与硬件操作顺序一致

程序员自行保存状态部分要遵循高编号寄存器对应高地址的规则（STRM & LDRM指令要求的规则）

2.3.2 启动初始任务

💡

说明：触发pendSV异常后，系统进入pendSV ISR运行，由于此处将PSP寄存器置为0，在进行任务切换时据此可识别出此时为启动初始任务，无需保存前一任务的运行状态（因为此时还没有这个"前一任务"）

2.3.3 申请任务调度

💡

说明：此处调度实现非常简单，就是在2个任务之间相互切换

2.3.4 任务切换

说明1：任务切换流程图如下，

3. 双任务时间片运行原理

3.1 设计目标

💡

说明：在上节实现中，任务切换由任务主动调用tTaskSched函数实现；在本节实现中，将在SysTick ISR中调用tTaskSched函数进行任务切换，进而实现基于时间片的任务调度

3.2 时间片切换原理

3.2.1 时间片实现

💡

核心：利用SysTick的周期性中断，在该中断的ISR中选择下一任务，并触发pendSV异常进行任务切换

3.2.2 SytTick定时器简介

SysTick定时器是Cortex-M3内核内置的24位递减定时器，当递减到0时，将从RELEAD寄存器中自动重载定时初值到CURRENT寄存器，如此反复。

3.3 设计实现

3.3.1 SysTick设置

3.3.2 SysTick_Handler

3.3.3 任务函数

💡

说明：由于在SysTick_Handler中进行任务切换，所以在任务函数中无需再调用tTaskSched函数

4. 双任务延时原理与空闲任务

4.1 设计目标

💡

说明：delay函数的延时通过在循环中递减计数值实现，属于忙等操作，在延时过程中持续占用CPU，因此降低了CPU使用率。本节设计的任务延时接口的要点就是在延时过程中释放CPU

4.2 任务延时原理

4.2.1 任务延时

目标：在任务延时过程中，暂停当前任务运行，释放CPU控制权给其他任务

步骤：

启动任务计时器时，通过调用任务切换函数释放CPU

结束任务计时器时，也会调用任务切换函数，恢复之前暂停的任务（当然，此处还涉及多任务优先级的调度问题）

4.2.2 软件计时器

说明1：由于任务数量不限，而硬件计时器资源有限，所以任务计时器一般使用软件计时器实现

说明2：软件计时器是基于硬件计时器工作的，从本质上说，软件计时器是一个计数值，每当硬件SysTick触发时，在SysTick ISR中维护软件计时器计数值

说明3：由于软件计时器基于硬件计时器工作，所以软件定时时间必须是硬件定时器周期的倍数。相当于硬件计时器提供了最小的计时分辨率，如果需要更高精度的延时则只能使用硬件定时器

4.2.3 延时精度问题

💡

说明：由于使用软件计时器，加之延时处理需要时间，所以延时精度有限，使用时需要注意场景。

4.2.4 空闲任务

如果所有任务都进入延时（或者当前没有任务可运行），那么RTOS应该运行什么 ?（毕竟CPU不能闲着呀~）。所以我们添加空闲任务，在空闲任务中添加低功耗运行指令或者进行CPU统计任务

4.3 设计实现

4.3.1 增设软件计时器

说明：在任务初始化函数tTaskInit函数中需要对应地将delayTick字段初始化为0

4.3.2 SysTick_Handler

💡

说明：在SysTick ISR中，首先遍历所有任务的延时计数值，如果非零则递减，说明完成一个SysTick的延时；然后调用tTaskSched函数触发任务切换，这是原先基于时间片调度就需要完成的操作

4.3.3 tTaskDelay函数

说明1：tTaskDelay函数的参数为延时时间对应的SysTick个数

说明2：任务调用tTaskDelay函数设置延时后，需要释放CPU控制权，该动作通过调用tTaskSched函数实现