uC/OS-II學習筆記—任務的調度和多任務的啟動

ID:51773 · 發表于 2013-7-19 01:56

uC/OS-II操作系統是實時操作系統，而且是基于優先級調度的實時操作系統，因此在啟動多任務以后，每個時鐘中斷都要執行任務的調度。至于如何實現時鐘中斷，對于不同硬件環境是不同的。如果時間片是20ms，那么每20ms執行一次任務調度。這個任務調度的函數就是OSTimeTick。OSTimeTick是與硬件無關的，代碼如下所示：

從操作系統的初始化函數OSInit來看，我們創建的第一個任務是空閑任務。然后每次創建的新任務都是將該任務的TCB插入到就緒鏈表的表頭，而空閑任務不允許被刪除。因此，在就緒鏈表中，最后一個TCB永遠是空閑任務的。所以，while循環從就緒鏈表的表頭開始，一直到空閑任務為止，遍歷了除空閑任務之外的所有任務。
OSTCBStat中的各個位的意義如下所示：

在這里，看到了我們熟悉的掛起，在從低到高的第4位，如果從0位開始算，是位3。
相關的宏定義如下所示：

因此

很明顯，只要任務在等待任何一個事件發生，那么OS_STAT_PEND_ANY的值都不會是OS_STAT_RDY。因此，這個條件判斷語句的含義就是，如果任務在等待任何一個事件的發生(信號量、郵箱、隊列、互斥信號量、標志)，就執行下面的操作，判斷是否延遲結束等。任務可能因為等待事件而處于阻塞態，但是阻塞態的任務的控制塊仍然在就緒鏈表中，而并非由一個阻塞鏈表。任務等待事件發生的時候，可以設定或不設定超時時間。如果設定了超時時間，那么時間到了就算事件仍沒有發生，也不再等待了，這樣可以避免死等。
因此，結合帶啊，調度器遍歷每個任務，如果任務被設置了時間延時，那么就將延時時間減1.不論是等待事件發生的任務，還是單純等待一段時間的任務，只要不是被掛起的任務，延時時間到了就要使任務進入就緒態。使任務進入就緒態的方法也就是就緒組和就緒表的操作。
OSTimeTick在每個時間片開始的時候有規律地被操作系統調用，將對延時的任務修改延時時間，然后設置哪些任務就緒，但是還沒有真正進入任務的切換。
就緒的任務獲得CPU才能運行。任務切換函數就是執行這樣的操作系統服務功能：如果正在運行的任務不是優先級最高的或即將被阻塞，需要選擇一個優先級最高的就緒的任務運行。該過程中非常重要的一點是，要保留正在運行的上下文，也就是運行環境，如cPU寄存器的值，以便在任務重新開始運行之前能恢復CPU寄存器的值。當然還要將要運行任務的上下文恢復到CPU寄存器。
因此，任務切換函數式設計硬件操作，是和CPU類型密切相關的，因此對不同的系統，實現的代碼必然不同。任務切換函數是OS_Sched，在OS_Sched中還要調用與CPU無關的函數OS_SchedNew和與CPU密切相關的代碼OS_TASK_SW。OS_Sched與OS_SchedNew寫在os_core.c中，與CPU密切相關的代碼OS_TASK_SW則寫在os_cpu.c中。
首先來看一下OS_SchedNew，這個函數被其他uC/OS-II系統服務調用，用來確定最高優先級的就緒任務。該函數運行的結果就是給全局變量OSPrioHighRdy賦值。顯然，OSPrioHighRdy是最高的優先級任務。
代碼如下所示：

代碼很簡單，找到優先級最高的就緒任務，將該任務的優先級賦值給OSPrioHighRdy。
在OS_Sched代碼中將調用OS_SchedNew來找到最高優先級的任務。
代碼如下所示：

可見，OS_Sched首先判斷是否可以進行任務切換，如果中斷服務程序沒有完成，或者是調度器被上鎖，或當前運行的任務正是優先級最高的，那么都不會進行任務切換。當需要進行任務切換時，OS_Sched首先增加將要被換入CPU的任務的被調用次數OSTCBCtxSwCtr，然后是整個操作系統的任務切換的次數OSCtxSwCtr。最后調用OS_TASK_SW完成任務切換。從中可以看出，OS_TASK_SW應該是真正進行任務切換的地方。
一切都準備好了，將進行任務的最終切換，OS_TASK_SW首先將CPU寄存器中的內容壓入被換出的任務的堆棧中，然后將被換入的任務的堆棧中的內容彈出到CPU寄存器。需要知道的是，這些寄存器是任務運行的環境，在任務被換出，再換回繼續執行的時候，寄存器的值不能發生變化，否則程序的運行會產生錯誤的結果，有些結果甚至是災難性的。
OS_TASK_SW的代碼實現如下所示：

可以看到OS_TASK_SW()等同于OSCtxSw()。OSCtxSw的定義如下所示：

可以看出這是一段匯編代碼，執行的主要操作是觸發PendSV中斷，那接下來看一下PendSV中斷的服務程序：

PendSV中首先關閉中斷，然后判斷PSP的值是不是0，如不是0就將沒有自動保存的寄存器r4~r11壓入到堆棧中，然后將PSP的值更新到OSTCBCur->OSTCBStkPtr中。如果是0就說明之前沒有任務運行，所以不要保存。然后調用OSTaskSwHook()。然后執行OSPrioCur = OSPrioHighRdy;然后執行OSTCBCur = OSTCBHighRdy; 然后取得最高優先級任務的TCB，進而得到它的堆棧地址。然后把R4~R11的值從堆棧中恢復。然后，更新PSP的值。然后將LR的bit3置位，然后使能中斷，最后中斷返回。
uC/OS-II作為實時多任務操作系統，在每個時鐘滴答進入時鐘中斷服務程序，如果有比目前運行的任務更高優先級的任務就緒，在需要的時候進行一次任務調度。這個任務調度函數并不是前面的OS_Sched，而是OSIntExit。
在時鐘中斷的時候，緊接著OSTimeTick，操作系統調用OSIntExit實現任務的切換，程序如下所示：

可見，OSIntCtxSw()才是真正在中斷程序中進行實際的任務切換的地方，OSIntExit與OSSched類似，進行了全局變量的配置，決定是否進行任務切換。那么OSIntCtxSw很明顯也將在os_cpu.c中實現，原因是也要進行與CPU密切相關的操作，相關程序如下所示：

可見，在中斷處理過程中的任務切換和普通的任務切換時相同的。
多任務啟動的代碼是內核中的OSStart函數，在運行OSStart之前，必須已經執行了操作系統初始化函數OSInit，并且至少創建了1個以上的任務。OSStart的代碼如下所示：

可見，OSStart先找到優先級最高的就緒任務，然后對OSPrioCur賦值為該任務的優先級，將OSTCBHighRdy及OSTCBCur賦值為該任務的TCB地址，之后就調用OSStartHighRdy來啟動多任務。因此，核心的代碼還在OSStartHighRdy。OSStartHighRdy啟動多任務又是和硬件有關的，因此該代碼在os_cpu.c中，對于不同的硬件平臺，該代碼必然不同。

匯編的代碼和恢復任務的時候如初一輒，從堆棧中取出任務的地址運行任務！而任務的地址在創建任務時的堆棧初始化的時候已經準備好了。啟動任務就是先將設置PendSV，然后將PSP清零，然后將OSRunning設置為真表示進入多任務，然后觸發PendSV，然后由PendSV中斷服務程序來執行相關的任務切換。

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uC/OS-II學習筆記—任務的調度和多任務的啟動