freertos实时操作系统空闲任务阻塞延时示例解析
作者：jym蒟蒻
这篇文章主要为大家介绍了freertos实时操作系统的空闲任务及阻塞延时示例解析，有需要的朋友可以借鉴参考下，希望能够有所帮助，祝大家多多进步，早日升职加薪
前言
阻塞态：如果一个任务当前正在等待某个外部事件，则称它处于阻塞态。
rtos中的延时叫阻塞延时，即任务需要延时的时候，会放弃CPU的使用权,进入阻塞状态。在任务阻塞的这段时间，CPU可以去执行其它的任务(如果其它的任务也在延时状态，那么 CPU 就将运行空闲任务)，当任务延时时间到，重新获取 CPU 使用权，任务继续运行。
空闲任务：处理器空闲的时候，运行的任务。当系统中没有其他就绪任务时，空闲任务开始运行，空闲任务的优先级是最低的。
空闲任务
定义空闲任务：
#define portSTACK_TYPE uint32_t typedef portSTACK_TYPE StackType_t; /*定义空闲任务的栈*/ #define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( unsigned short ) 128 ) StackType_t IdleTaskStack[configMINIMAL_STACK_SIZE]; /*定义空闲任务的任务控制块*/ TCB_t IdleTaskTCB;
创建空闲任务：在vTaskStartScheduler调度器启动函数中创建。
/*任务控制块的结构体 */
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 */
char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];/* 任务名称，字符串形式 */
TickType_t xTicksToDelay; /* 用于延时 */
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;
/*获取获取空闲任务的内存：任务控制块、任务栈起始地址、任务栈大小*/
void vApplicationGetIdleTaskMemory( TCB_t **ppxIdleTaskTCBBuffer,
StackType_t **ppxIdleTaskStackBuffer,
uint32_t *pulIdleTaskStackSize )
{
*ppxIdleTaskTCBBuffer=&IdleTaskTCB;//空闲任务的任务控制块
*ppxIdleTaskStackBuffer=IdleTaskStack; //空闲任务的任务栈
*pulIdleTaskStackSize=configMINIMAL_STACK_SIZE;//栈的大小
}
void vTaskStartScheduler( void )
{
/*创建空闲任务start*/
TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL; /* 用于指向空闲任务控制块 */
StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL; /* 用于空闲任务栈起始地址 */
uint32_t ulIdleTaskStackSize;
/* 获取：任务控制块、任务栈起始地址、任务栈大小 */
vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer,
&pxIdleTaskStackBuffer,
&ulIdleTaskStackSize );
/*创建空闲任务*/
xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask, /* 任务入口 */
(char *)"IDLE", /* 任务名称，字符串形式 */
(uint32_t)ulIdleTaskStackSize , /* 任务栈大小，单位为字 */
(void *) NULL, /* 任务形参 */
(StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer, /* 任务栈起始地址 */
(TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer ); /* 任务控制块 */
/* 将任务添加到就绪列表 */
vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ), &( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) );
/*创建空闲任务end*/
/* 手动指定第一个运行的任务 */
pxCurrentTCB = &Task1TCB;
/* 初始化系统时基计数器 */
xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
/* 启动调度器 */
if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
{
/* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */
}
}
//下面是空闲任务的任务入口，看到，里面什么都没做
//这个我用debug发现一直卡到这个for不动了。
//通过单步运行，发生了中断，程序也无法进入中断。
static portTASK_FUNCTION( prvIdleTask, pvParameters )
{
/* 防止编译器的警告 */
( void ) pvParameters;
for(;;)
{
/* 空闲任务暂时什么都不做 */
}
}
阻塞延时
任务函数如下：延时函数由软件延时替代为阻塞延时。
void Task1_Entry( void *p_arg )
{
for( ;; )
{
#if 0
flag1 = 1;
delay( 100 );/*软件延时*/
flag1 = 0;
delay( 100 );
/* 线程切换，这里是手动切换 */
portYIELD();
#else
flag1 = 1;
vTaskDelay( 2 );/*阻塞延时*/
flag1 = 0;
vTaskDelay( 2 );
#endif
}
}
任务函数里面调用了vTaskDelay阻塞延时函数，如下。
/*阻塞延时函数的定义 */
void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
TCB_t *pxTCB = NULL;
/* 获取当前任务的任务控制块 */
pxTCB = pxCurrentTCB;
/* 设置延时时间：xTicksToDelay个SysTick延时周期 */
pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;
/* 任务切换 */
taskYIELD();
}
然后vTaskDelay里面调用了taskYIELD函数，如下。目的是产生PendSV中断，进入PendSV中断服务函数。
/* Interrupt control and state register (SCB_ICSR)：0xe000ed04
* Bit 28 PENDSVSET: PendSV set-pending bit
*/
#define portNVIC_INT_CTRL_REG ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed04 ) )
#define portNVIC_PENDSVSET_BIT ( 1UL << 28UL )
#define portSY_FULL_READ_WRITE ( 15 )
/* Scheduler utilities. */
#define portYIELD() \
{ \
/* 设置 PendSV 的中断挂起位，产生上下文切换 */ \
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \ \
/* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely \
within the specified behaviour for the architecture. */ \
__dsb( portSY_FULL_READ_WRITE ); \
__isb( portSY_FULL_READ_WRITE ); \
}
PendSV中断服务函数如下，里面调用了vTaskSwitchContext上下文切换函数，目的是寻找最高优先级的就绪任务，然后更新pxCurrentTCB。
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
// extern uxCriticalNesting;
extern pxCurrentTCB;
extern vTaskSwitchContext;
PRESERVE8
/* 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 */
stmdb sp!, {r3, r14}
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
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
nop
}
vTaskSwitchContext上下文切换函数如下。
任务需要延时的时候，会放弃CPU的使用权，进入阻塞状态。在任务阻塞的这段时间，CPU可以去执行其它的任务(如果其它的任务也在延时状态，那么 CPU 就将运行空闲任务)，当任务延时时间到，重新获取 CPU 使用权，任务继续运行。
void vTaskSwitchContext( void )
{
if( pxCurrentTCB == &IdleTaskTCB )//如果当前线程是空闲线程
{
if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)//如果线程1延时时间结束
{
pxCurrentTCB =&Task1TCB;//切换到线程1
}
else if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)//如果线程2延时时间结束(线程1在延时中)
{
pxCurrentTCB =&Task2TCB;//切换到线程2
}
else
{
return; /* 线程延时均没有到期则返回，继续执行空闲线程 */
}
}
else//当前任务不是空闲任务
{
if(pxCurrentTCB == &Task1TCB)//如果当前线程是线程1
{
if(Task2TCB.xTicksToDelay == 0)//如果线程2不在延时中
{
pxCurrentTCB =&Task2TCB;//切换到线程2
}
else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)//如果线程1进入延时状态(线程2也在延时中)
{
pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;//切换到空闲线程
}
else
{
return; /* 返回，不进行切换 */
}
}
else if(pxCurrentTCB == &Task2TCB)//如果当前线程是线程2
{
if(Task1TCB.xTicksToDelay == 0)//如果线程1不在延时中
{
pxCurrentTCB =&Task1TCB;//切换到线程1
}
else if(pxCurrentTCB->xTicksToDelay != 0)//如果线程2进入延时状态(线程1也在延时中)
{
pxCurrentTCB = &IdleTaskTCB;//切换到空闲线程
}
else
{
return; /* 返回，不进行切换*/
}
}
}
}
由上面代码可知，vTaskSwitchContext上下文切换函数通过看xTicksToDelay是否为零，来判断任务已经就绪or继续延时。
xTicksToDelay以什么周期递减，在哪递减。这个周期由SysTick中断提供。
SysTick
SysTick是系统定时器，重装载数值寄存器的值递减到0的时候，系统定时器就产生一次中断，以此循环往复。
下面是SysTick的初始化。
//main函数里面
/* 启动调度器，开始多任务调度，启动成功则不返回 */
vTaskStartScheduler();
//task.c里面调用了xPortStartScheduler函数
void vTaskStartScheduler( void )
{
//.....省略部分代码
/* 启动调度器 */
if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
{
/* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */
}
}
//port.c里面
//xPortStartScheduler调度器启动函数，里面调用了vPortSetupTimerInterrupt函数初始化SysTick
BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
/* 配置PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低 */
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
/* 初始化SysTick */
vPortSetupTimerInterrupt();
/* 启动第一个任务，不再返回 */
prvStartFirstTask();
/* 不应该运行到这里 */
return 0;
}
//system_ARMCM4.c文件
#define XTAL (50000000UL) /* Oscillator frequency */
#define SYSTEM_CLOCK (XTAL / 2U)
//FreeRTOSConfig.h文件
//系统时钟大小
#define configCPU_CLOCK_HZ ( ( unsigned long ) 25000000 )
//SysTick每秒中断多少次，配置成100，10ms中断一次
#define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 100 )
//下面初始化SysTick
/* SysTick 控制寄存器 */
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e010 ) )
/*SysTick 重装载寄存器*/
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e014 ) )
/*SysTick时钟源的选择*/
#ifndef configSYSTICK_CLOCK_HZ
#define configSYSTICK_CLOCK_HZ configCPU_CLOCK_HZ//configSYSTICK_CLOCK_HZ=configCPU_CLOCK_HZ
/* 确保SysTick的时钟与内核时钟一致 */
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 1UL << 2UL )//无符号长整形32位二进制，左移两位
#else
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 0 )
#endif
#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT ( 1UL << 0UL )
//初始化SysTick的函数如下
void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{
/* 设置重装载寄存器的值 */
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
/* 设置系统定时器的时钟等于内核时钟
使能SysTick 定时器中断
使能SysTick 定时器 */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT |
portNVIC_SYSTICK_INT_BIT |
portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}
初始化好SysTick，下面看看SysTick的中断服务函数。
现在就明白了，xTicksToDelay是以SysTick的中断周期递减的。
// port.c文件，SysTick中断服务函数
//里面调用了xTaskIncrementTick函数更新系统时基
void xPortSysTickHandler( void )
{
/* 关中断 进入临界段*/
vPortRaiseBASEPRI();
/* 更新系统时基 */
xTaskIncrementTick();
/* 开中断 退出临界段*/
vPortClearBASEPRIFromISR();
}
//task.c文件，
static volatile TickType_t xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
void xTaskIncrementTick( void )
{
TCB_t *pxTCB = NULL;
BaseType_t i = 0;
/* 更新系统时基计数器xTickCount，xTickCount是一个在port.c中定义的全局变量 */
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
xTickCount = xConstTickCount;//把xTickCount加1
/* 扫描就绪列表中所有线程的xTicksToDelay，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 --;
}
}
/* 任务切换 */
portYIELD();
}
实验现象
这个里面就可以看到，高电平时间是20ms，刚好是阻塞延时的20ms。而且两个任务波形相同，好像是CPU在同时做两件事。这就是阻塞延时的好处。
为什么呢，
一开始，所有任务都没有进入延时。
当一个任务放弃CPU后(进入延时)，这一瞬间，CPU立即转向运行另一个任务(另一个任务也立即进入延时)。这是因为uvTaskDelay阻塞延时函数里面调用了taskYIELD()任务切换函数。所以产生PendSV中断，进入PendSV中断服务函数xPortPendSVHandler。
在那个PendSV中断服务函数里面，调用vTaskSwitchContext上下文切换函数，由于现在两个任务都在延时过程中，就开始切到空闲任务。
等到重装载数值寄存器的值递减到0的时候，系统定时器就产生一次中断，进入系统定时器的中断函数中，改变xTicksToDelay，然后再次调用任务切换函数portYIELD()。目的是产生PendSV中断，进入PendSV中断服务函数。
然后再次调用vTaskSwitchContext上下文切换函数，判断现在两个任务是否还在延时，如果任务1不在延时，那么立即切到任务1，任务1里面又调用uvTaskDelay阻塞延时函数，再次套娃重复上面的活动。
所以波形上几乎同步。
之前用软件延时在任务函数里面写delay(100)，这就属于cpu一直跑这个delay，跑完了才进行任务切换，如下图所示，一个任务高低电平全搞完，才切到下一个任务。
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