FreeRtos學習筆記（11）查找就緒任務中優先級最高任務原理刨析

怎么查找就緒任務中優先級最高的？

tasks.c中聲明了一個全局變量 uxTopReadyPriority，任務從其他狀態進入就緒態時，需要修改 uxTopReadyPriority，將就緒任務優先級信息保存在 uxTopReadyPriority 中。在FreeRtos進行剪裁時，如果最大任務優先級 configMAX_PRIORITIES 不超過32，則任務就緒時會將 uxTopReadyPriority 中任務優先級對應的位置一（例如有一個優先級為5的任務從堵塞態變為就緒態，則將uxTopReadyPriority |= 1 << 5）。

然后在任務進行切換時，根據 uxTopReadyPriority 變量的值，找到就緒任務中優先級最高的

這里用到的cortex-M特有的匯編指令 clz – 計算前導零指令

比如： 一個 32 位的變量 uxTopReadyPriority， 其位 0、
位 24 和位 25 均置 1 ， 其余位為 0 ， 那么使用前導零指令 __CLZ
(uxTopReadyPriority)可以很快的計算出 uxTopReadyPriority 的前導零的個數為 6。

使用前導零指令 __CLZ 來查找就緒任務中優先級最高的 顯然是方便快捷的，但是當遇到 最大任務優先級 configMAX_PRIORITIES 超過32 或者沒有前導零指令__CLZ的內核時，需要在Free RTOSConfig.h中添加宏定義

#define configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION 0

使用一種更通用的方法去查找就緒任務中優先級最高的。

鏈表操作

FreeRtos中有任務就緒表，任務堵塞表，任務掛起表等鏈表，鏈表操作貫穿FreeRtos整個底層，有必要了解一下FreeRtos的鏈表操作。這里只是大致介紹，具體代碼細節可以參考野火的《FreeRTOS 內核實現與應用開發實戰指南》

鏈表初始化

list.h中有一下三個結構體，鏈表節點xLIST_ITEM、鏈表最小節點xMINI_LIST_ITEM、鏈表頭節點xLIST。

/** 鏈表節點*/ struct xLIST; struct xLIST_ITEM {listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE /*< Set to a known value if configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES is set to 1. */configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue; /*< 節點中的值，一般排序插入時需要使用 */struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext; /*< 指向下一個節點 */struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious; /*< 指向上一個結點 */void * pvOwner; /*< 指向該節點的任務控制塊 */struct xLIST * configLIST_VOLATILE pxContainer; /*< 指向表頭 */listSECOND_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE /*< Set to a known value if configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES is set to 1. */ }; typedef struct xLIST_ITEM ListItem_t; /* For some reason lint wants this as two separate definitions. */struct xMINI_LIST_ITEM {listFIRST_LIST_ITEM_INTEGRITY_CHECK_VALUE /*< Set to a known value if configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES is set to 1. */configLIST_VOLATILE TickType_t xItemValue; /*< 節點中的值，一般排序插入時需要使用 */struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxNext; /*< 指向下一個節點 */struct xLIST_ITEM * configLIST_VOLATILE pxPrevious;/*< 指向上一個結點 */ }; typedef struct xMINI_LIST_ITEM MiniListItem_t;/** 頭節點*/ typedef struct xLIST {listFIRST_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE /*< Set to a known value if configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES is set to 1. */volatile UBaseType_t uxNumberOfItems; /*< 該鏈表中節點個數 */ListItem_t * configLIST_VOLATILE pxIndex; /*< 指向鏈表第一個節點 */MiniListItem_t xListEnd; /*< 指向固定的鏈表結束節點 */listSECOND_LIST_INTEGRITY_CHECK_VALUE /*< Set to a known value if configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES is set to 1. */ } List_t;

鏈表初始化其實就做了上圖的幾個箭頭工作，將對應指針指向xListEnd尾節點，具體代碼如下

void vListInitialise( List_t * const pxList ) {/* The list structure contains a list item which is used to mark the* end of the list. To initialise the list the list end is inserted* as the only list entry. */pxList->pxIndex = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd ); /*lint !e826 !e740 !e9087 The mini list structure is used as the list end to save RAM. This is checked and valid. *//* The list end value is the highest possible value in the list to* ensure it remains at the end of the list. */pxList->xListEnd.xItemValue = portMAX_DELAY;/* The list end next and previous pointers point to itself so we know* when the list is empty. */pxList->xListEnd.pxNext = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd ); /*lint !e826 !e740 !e9087 The mini list structure is used as the list end to save RAM. This is checked and valid. */pxList->xListEnd.pxPrevious = ( ListItem_t * ) &( pxList->xListEnd ); /*lint !e826 !e740 !e9087 The mini list structure is used as the list end to save RAM. This is checked and valid. */pxList->uxNumberOfItems = ( UBaseType_t ) 0U;/* Write known values into the list if* configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES is set to 1. */listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_1_VALUE( pxList );listSET_LIST_INTEGRITY_CHECK_2_VALUE( pxList ); }

鏈表節點尾插入到鏈表尾部

如下圖所示，xLIST_ITEM 1、xLIST_ITEM 2、xLIST_ITEM 3、xListEnd這四個節點構成了一個雙向循環鏈表。

這里需要注意的是，xLIST的pxIndex項指向的節點為第一個節點，因此 vListInsertEnd 函數會將節點插入到 pxIndex指向的節點的前面,并不是插入到 xListEnd 的后面，pxIndex會不斷移動，因此第一個節點不是固定的。

void vListInsertEnd( List_t * const pxList,ListItem_t * const pxNewListItem ) {ListItem_t * const pxIndex = pxList->pxIndex;/* Only effective when configASSERT() is also defined, these tests may catch* the list data structures being overwritten in memory. They will not catch* data errors caused by incorrect configuration or use of FreeRTOS. */listTEST_LIST_INTEGRITY( pxList );listTEST_LIST_ITEM_INTEGRITY( pxNewListItem );/* Insert a new list item into pxList, but rather than sort the list,* makes the new list item the last item to be removed by a call to* listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY(). */pxNewListItem->pxNext = pxIndex;pxNewListItem->pxPrevious = pxIndex->pxPrevious;/* Only used during decision coverage testing. */mtCOVERAGE_TEST_DELAY();pxIndex->pxPrevious->pxNext = pxNewListItem;pxIndex->pxPrevious = pxNewListItem;/* Remember which list the item is in. */pxNewListItem->pxContainer = pxList;( pxList->uxNumberOfItems )++; }

按值排序并插入鏈表節點

上面說了插入到列表末尾但是并不是插入到 xListEnd 后面，那 xListEnd 有什么作用？

xListEnd 可以看作是一個特殊節點，節點內部的值 xItemValue 最大，方便按值排序并插入鏈表節點（從xListEnd開始遍歷）

刪除鏈表節點

就是將當前節點從對應鏈表移除。

UBaseType_t uxListRemove( ListItem_t * const pxItemToRemove ) { /* The list item knows which list it is in. Obtain the list from the list* item. */List_t * const pxList = pxItemToRemove->pxContainer;pxItemToRemove->pxNext->pxPrevious = pxItemToRemove->pxPrevious;pxItemToRemove->pxPrevious->pxNext = pxItemToRemove->pxNext;/* Only used during decision coverage testing. */mtCOVERAGE_TEST_DELAY();/* Make sure the index is left pointing to a valid item. */if( pxList->pxIndex == pxItemToRemove ){pxList->pxIndex = pxItemToRemove->pxPrevious;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}pxItemToRemove->pxContainer = NULL;( pxList->uxNumberOfItems )--;return pxList->uxNumberOfItems; }

任務就緒表

FreeRtos為了支持時間片調度（不同任務可以擁有相同的任務優先級），為每個任務優先級都建立了一個環形鏈表。因此優先級在夠用的情況下盡量少。

每個優先級都有一個頭結點

當任務從其他狀態轉為就緒態時，會調用 prvAddTaskToReadyList 宏對 uxTopReadyPriority 進行修改

然后將任務控制塊中的 xStateListItem 掛在對應優先級的頭結點下。

同樣，在任務從就緒態轉為其他狀態時，會將任務控制塊中的 xStateListItem 從對應就緒列表移除。

這里需要注意一點：在禁止調度任務期間，若ISR導致了一個任務的就緒，這個任務就會放到xPendingReadyList中而不是直接加入就緒列表。

為什么不直接加入就緒列表 而要用 xPendingReadyList 做個緩沖？
任務A轉為就緒態時，會將任務A的優先級和當前任務優先級做比較，如果任務A優先級高，則會立即觸發PendSV中斷進行任務切換。

但是如果此時調度器是掛起狀態，則不會進行任務切換

這里使用 xPendingReadyList 做了緩沖，假設任務A優先級比當前任務優先級高，在禁止調度任務期間，ISR導致了任務A就緒，任務A就會放到xPendingReadyList中，當任務調度器解掛，則會將 xPendingReadyList 中的任務A轉移到對應就緒表，由于任務A優先級比當前任務優先級高，則進行任務切換。如果不使用 xPendingReadyList 則在調度器解掛后不會判斷任務A和當前任務的優先級，任務A也就不會及時運行。

任務堵塞表

FreeRtos中和堵塞表相關的有下面四個變量

為什么有兩個堵塞表？
32位內核的單片機中，FreeRtos的時間節拍類型為 uint32_t，當時間過長時就會有溢出風險。

在任務轉為堵塞態時，會判斷當前系統時間節拍數+任務堵塞節拍數是否溢出？如果溢出就將該任務掛在溢出堵塞表中，如果不溢出就掛在堵塞表中。

當系統時間節拍要溢出時，會將溢出堵塞表和堵塞表互換。

任務掛起表

理解了任務就緒表和堵塞表后，掛起表就比較簡單了。當任務掛起時，會將該任務掛到掛起表中。

更新任務流程

調用 vTaskStartScheduler() 啟動調度器后，會觸發SCV中斷，在SCV中斷服務函數中將堆棧指針寄存器從MSP切換成PSP，并且啟動第一個任務。

除了任務中的堵塞、掛起、手動切換任務操作，任務之間的切換主要發生在時鐘節拍中斷服務函數中

BaseType_t xTaskIncrementTick( void ) {TCB_t * pxTCB;TickType_t xItemValue;BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;/* 調度器沒有掛起 */if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE ){const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + ( TickType_t ) 1;/* 時鐘節拍自增 */xTickCount = xConstTickCount;if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U ) {/* 時鐘節拍溢出 溢出堵塞表和堵塞表互換 */taskSWITCH_DELAYED_LISTS();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}/* 當前時鐘節拍大于等于堵塞列表中第一個節點堵塞時間. */if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime ){for( ; ; ){if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE ){/* 堵塞列表為空 退出 */xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; break;}else{/* 拿出堵塞列表中第一個節點任務控制塊 */pxTCB = listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList ); /* 獲取該任務解除堵塞的時間節拍 */xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );if( xConstTickCount < xItemValue ){/* 該任務還未到解除堵塞的時間節拍 退出 */xNextTaskUnblockTime = xItemValue;break; }else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}/* 將該任務從堵塞列表刪除 */( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );/* 如果該任務也在等信號到來，將該任務從事件列表移除. 例如如果一個任務因為等待信號量到來進入堵塞列表，等待信號量到來的最大時間為100個時鐘節拍，則該任務控制塊會利用 xStateListItem 將任務控制塊掛在堵塞列表，利用 xEventListItem 將任務控制塊掛在事件列表。 */if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL ){( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}/* 添加到對應的就緒列表 */prvAddTaskToReadyList( pxTCB );#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ){/* 如果該任務優先級比當前任務優先級高，任務切換標志位置1 */if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority ){xSwitchRequired = pdTRUE;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* configUSE_PREEMPTION */}}}/* 如果開啟 支持時間片調度 功能， 當前任務優先級就緒列表中如果有多個任務，任務切換標志位置1 */#if ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ){if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ pxCurrentTCB->uxPriority ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 ){xSwitchRequired = pdTRUE;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) ) */#if ( configUSE_TICK_HOOK == 1 ){/* 節拍鉤子函數 */if( xPendedTicks == ( TickType_t ) 0 ){vApplicationTickHook();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* configUSE_TICK_HOOK */#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ){/* 如果中斷服務函數中有任務從掛起進入就緒態 xYieldPending 會置1，任務切換標志位 xSwitchRequired 置1 */if( xYieldPending != pdFALSE ){xSwitchRequired = pdTRUE;}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* configUSE_PREEMPTION */}else{++xPendedTicks;/* The tick hook gets called at regular intervals, even if the* scheduler is locked. */#if ( configUSE_TICK_HOOK == 1 ){vApplicationTickHook();}#endif}return xSwitchRequired; }

在 xTaskIncrementTick() 函數中分析是否需要進行任務切換，如果需要任務切換則觸發PendSV中斷

在PendSV中斷服務函數中進行任務切換

void vTaskSwitchContext( void ) {if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE ){/* 調度器掛起 */xYieldPending = pdTRUE;}else{xYieldPending = pdFALSE;traceTASK_SWITCHED_OUT();#if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 ){#ifdef portALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUEportALT_GET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE( ulTotalRunTime );#elseulTotalRunTime = portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE();#endif/* 各個任務CPU使用率統計 可以參考筆記9 */if( ulTotalRunTime > ulTaskSwitchedInTime ){pxCurrentTCB->ulRunTimeCounter += ( ulTotalRunTime - ulTaskSwitchedInTime );}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}ulTaskSwitchedInTime = ulTotalRunTime;}#endif /* configGENERATE_RUN_TIME_STATS *//* 棧溢出檢查. */taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();/* Before the currently running task is switched out, save its errno. */#if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 ){pxCurrentTCB->iTaskErrno = FreeRTOS_errno;}#endif/* 找到優先級最高的就緒列表，并切換任務控制塊. */taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK(); /* After the new task is switched in, update the global errno. */#if ( configUSE_POSIX_ERRNO == 1 ){FreeRTOS_errno = pxCurrentTCB->iTaskErrno;}#endif#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 ){/* Switch Newlib's _impure_ptr variable to point to the _reent* structure specific to this task.* See the third party link http://www.nadler.com/embedded/newlibAndFreeRTOS.html* for additional information. */_impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );}#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */} }

其中任務切換的核心就是 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();

總結

以上是生活随笔為你收集整理的FreeRtos学习笔记（11）查找就绪任务中优先级最高任务原理刨析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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