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本文开始为 RTOS 加入考虑任务优先级的自动调度算法#xff0c;代码大部分参考野火。 本文主要是一篇学习笔记#xff0c;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#xff0c;在 RTOS 中#xff0c;优先级越高、越需要被先执行的的…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 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。 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(i0; iconfigMAX_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 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。 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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