【编写自己的RTOS】搞定任务调度

回顾：

Q3：关于RTOS编写，要解决哪些核心问题
A3：
a. 系统心跳：SysTick初始化
b. SysTick和PendSV的优先级设置
c. 任务控制块TCB结构与堆栈初始化
d. 上下文切换：PendSV_Handler函数
e. 系统延时函数（阻塞，调度）
f. 任务调度：SysTick_Handler函数

理清问题关键所在后，开始动手。

首先，最基本的功能要先保证，如SysTick初始化，任务堆栈初始化，上下文切换；
然后，开始时步子不能迈太大，我当时就差点裂开了。开始时只想着时间片轮转调度，选择了循环队列来管理列表，结果发现延时列表不能适用，它需要将延时短的任务先取出；
然后又想到用min_heap来实现优先级队列，它好像很适合动态管理数据，结果因为要判断”叶“的位置，需要额外的空间，多次malloc后失败，因为Heap_Size只有0x00000200 = 512字节（搞来搞去，结构体指针数组初始化，非法访问，数据被破坏，，，）。最后直接用一个结构体指针数组+任务状态来管理了。先搞出来，然后才能谈其它数据结构，优化调度算法。

上面说的有几个问题：（当时刚接触操作系统和数据结构不久，望体谅）
1、512字节应该是可以实现小顶堆的，在数组式堆中辅助长度可以判断左右孩子是否存在(leftchild = 2*i + 1) < len；没有孩子节点或父节点优先权最小时，下沉结束；（只有动态分配的TCB才占用heap，一个任务控制块32字节，理论上可创建管理16个任务）
2、Heap_size可以在startup_stm32f10x_md.s中设置，注意几个地方：芯片具体Flash容量，Target中的IROM1的size，和代码实际使用的内存大小（Project.map）。

1、SysTick

①SysTick的作用：
通过SysTick异常周期性地切入系统，进行任务调度。（SysTick 的最大使命，就是定期地产生异常请求，作为系统的时基。 OS 需要这种“滴答” 来推动任务和时间的管理。—— CM3权威指南）

②关于SysTick，我们需要知道什么?
所有Cortex-M3芯片内部都包含了SysTick定时器（简化了在CM3器件间的软件移植工作），该定时器的时钟源可以是内部时钟，或者是外部时钟。
SysTick定时器是一个24位的倒计数定时器，当计数到0时，将从RELOAD寄存器中自动重载定时器初值，开始新的一轮计数。STM32的延时一般就是通过内部的SysTick来实现的。

STM32基础例程中有关SysTick定时器的初始化设置，可以在delay.c文件（源自正点原子FreeRTOS例程）中查看。delay_init()中也有关于SysTick时钟源的说明：SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK); 由此可知，SysTick的时钟源是HCLK。

HCLK ：AHB总线时钟，由系统时钟SYSCLK分频得到，一般不分频，等于系统时钟（72MHZ），HCLK是高速外设时钟，是给外部设备的，比如内存，flash，DMA。

SysTick控制及状态寄存器：

初始化代码：

void SysTick_Init(void)
{char *Systick_priority = (char *)0xe000ed23;  //Systick中断优先级寄存器*Systick_priority = 0x00;                     //设置SysTick中断优先级最高SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK);//选择外部时钟  HCLKSysTick->LOAD  = ( SystemCoreClock / configTICK_RATE_HZ) - 1UL; //定时周期1msSysTick->VAL   = 0;                                //Systick定时器计数器清0//SysTick->CTRL: bit0-定时器使能 bit1-中断使能 bit2-时钟源选择(=1系统主频，=0系统主频/8)SysTick->CTRL = 0x7;  //选择外部时钟，允许中断，开启定时器
}

敲重点：
①SysTick->CTRL: bit0-定时器使能 bit1-中断使能 bit2-时钟源选择(=1系统主频，=0系统主频/8)；
②重装载值计算原理：系统时钟频率为72MHz，1秒钟计数72M次；现SysyTick时钟为72M，但只计数72M/1000次（计数范围：72M/1000-1 ~ 0），可得1ms(1/1000秒)重装载一次。

2、PendSV

①PendSV作用：任务切换时保存上下文（将一些寄存器和变量的值保存到任务堆栈，或将任务堆栈出栈，恢复过去任务的运行环境)

将任务堆栈出栈,就是将要运行的任务的堆栈的栈顶赋给sp，只有知道了sp我们才能找到对应的任务堆栈，才能找到堆栈保存任务信息；
恢复任务过去的运行环境（如通过恢复PC的值，我们可以知道上一次这个任务运行到哪了)

②悬起PendSV的方法是：手工往NVIC的PendSV悬起寄存器中写1。

int* NVIC_INT_CTRL= (int *)0xE000ED04;  //中断控制寄存器地址
void SetPendSV(void)//挂起PendSV
{*NVIC_INT_CTRL=0x10000000;//1<<28
}

③PendSV的中断优先级

void PendSVPriority_Init(void)
{char* NVIC_SYSPRI14= (char *)0xE000ED22;          //PendSV优先级寄存器地址*NVIC_SYSPRI14=0xFF;                           //设置PendSV中断优先级最低
}

3、TCB与任务堆栈

######task.h文件######typedef enum
{eTask_Running = 0,eTask_Ready,eTask_Suspended,eTask_Blocked,eTask_Deleted,
}eTaskSta;#define OS_MAX_TASK 8 //最大任务数量
typedef struct _TaskControlBlock
{stk32 *StkPtr;char name[16];int state; //任务状态int prio;int DlyTim; //任务阻塞时间
}TCB,*pTCB;######task.c文件######pTCB TASK_LIST[OS_MAX_TASK];
int created_task_num = 0;//全局变量//任务堆栈初始化
//入栈顺序：栈顶->栈尾 xPSR,PC,LR,R12,R3-R0,R4-R11共16个(SP(R13)保存在TCB首个成员变量中)。
stk32* task_stk_init(void* func, stk32 *TopOfStack)
{stk32 *stk;stk = TopOfStack;*(stk)    = (u32)0x01000000L;//xPSR 程序状态寄存器，xPSR T位(第24位)必须置1,否则第一次执行任务时进入Fault中断                                                     *(--stk)  = (u32)func;   //PC   初使化时指向任务函数首地址（任务切换时，可能指向任务函数中间某地址）            *(--stk)  = (u32)0xFFFFFFFEL;//LR   保存着各种跳转的返回连接地址,初使化为最低4位为E，是一个非法值，主要目的是不让使用R14，即任务是不能返回的              stk-=13;    return stk;
}void create_new_task( void *func, char name[], int prio, stk32 *TopOfStack, pTCB *tcb)
{int name_len = strlen(name);irq_disable();if(created_task_num == OS_MAX_TASK){printf("Create Task Fail\r\n");}if(tcb){*tcb = (pTCB)malloc(sizeof(TCB));if(*tcb){(*tcb)->StkPtr = task_stk_init(func,TopOfStack);memcpy((*tcb)->name,name,sizeof(char)*name_len);(*tcb)->state = eTask_Ready;(*tcb)->prio = prio;(*tcb)->DlyTim = 0;   TASK_LIST[created_task_num] = *tcb;created_task_num++;}}irq_enable();
}//数字越大，任务优先权越高
extern pTCB pTCB_IDLE;
pTCB GetHighRdyTask(void)
{int i = 0;pTCB pTtmp ,pTrdy = pTCB_IDLE;for(i = 0; i < created_task_num; i++){if(TASK_LIST[i]->state == eTask_Ready){pTtmp = TASK_LIST[i];if(pTtmp->prio > pTrdy->prio)pTrdy = pTtmp;}}return pTrdy;
}

敲重点：
①“stk32 *StkPtr;”必须放在任务控制块的首位；
②入栈顺序与PendSV保存和恢复现场过程有关
③没有另外维护就绪、延时列表，只用了一个结构体指针数组，根据任务的状态来管理任务调度

4、上下文切换：PendSV_Handler函数

 IMPORT pTCB_CurIMPORT pTCB_Rdy  EXPORT PendSV_HandlerEXPORT SP_INITPRESERVE8                  ;//字节对齐关键词,指定当前文件八字节对齐。AREA |.text|, CODE, READONLY ;//定义一个代码段或数据段。THUMB                      ;//指定以下指令都是THUMB指令集(ARM汇编有多种指令集)SP_INIT                        ;初始化PSP指针                      CPSID    I                 ;//关闭全局中断 LDR R4,=0x0                ;//R4装载立即数0(不直接给PSP赋值0而是经进R寄存器作为媒介是因为PSP只能和R寄存器打交道)            MSR     PSP, R4            ;//PSP(process stack pointer)程序堆栈指针赋值0。PSP属用户级(特级权下为MSP)，双堆栈结构。 CPSIE    I                 ;//打开全局中断(此时若没有其他中断在响应，则立即进入PendSV中断函数)  BX    LR  ;/******************PendSV_Handler************/
PendSV_HandlerCPSID    I                            ; OS_ENTER_CRITICAL();MRS     R0, PSP                            ; R0 = PSP;CBZ     R0, PendSV_Handler_NoSave          ; if(R0 == 0) goto PendSV_Handler_NoSave;SUB     R0, R0, #0x20            ; R0 = R0 - 0x20;; easy methodSTM     R0, {R4-R11}LDR     R1, =pTCB_Cur            ; R1 = OSTCBCur;LDR     R1, [R1]                 ; R1 = *R1;(R1 = OSTCBCur->OSTCBStkPtr)STR     R0, [R1]                 ; *R1 = R0;(*(OSTCBCur->OSTCBStkPrt) = R0)PendSV_Handler_NoSave                ;每次都会进去（因为PendSV_Handler_NoSave不是函数，而是中间的一个标签，用于跳转）;实质就是pTCB_Cur = pTCB_Rdy;每次运行PendSV_Handler，都会使pTCB_Cur指向pTCB_Rdy，所以调度时只需从任务数组中获取pTCB_RdyLDR     R0, =pTCB_Cur           ; R0 = OSTCBCur;LDR     R1, =pTCB_Rdy           ; R1 = OSTCBNext;LDR     R2, [R1]                ; R2 = OSTCBNext->OSTCBStkPtr;STR     R2, [R0]                ; *R0 = R2;(OSTCBCur->OSTCBStkPtr = OSTCBNext->OSTCBStkPtr)LDR     R0, [R2]                 ; R0 = *R2;(R0 = OSTCBNext->OSTCBStkPtr)LDM     R0, {R4-R11}ADD    R0, R0, #0x20MSR     PSP, R0                 ; PSP = R0;(PSP = OSTCBNext->OSTCBStkPtr)ORR     LR, LR, #0x04           ; LR = LR | 0x04;CPSIE     I                     ; OS_EXIT_CRITICAL();BX    LR                        ; return;                                       ; Enable interrupts at processor levelalign 4                    ;//内存对齐指令(编译器提供的)，以4个字节(32位)对齐end                        ;//伪指令,放在程序行的最后,告诉编译器编译程序到此结束

kernel.asm汇编代码可以不用自己实现，但要理解它的流程与作用；这里有几个要注意的点：
①PendSV_Handler在kernel.asm中定义了，需要注释掉原来的函数（在stm32f10x_it.h）
②PendSV_Handler_NoSave不是函数，而是中间的一个标签，用于跳转
③每次运行PendSV_Handler，都会使pTCB_Cur指向pTCB_Rdy，所以调度中只需操作pTCB_Rdy
④SP_INIT是PSP指针初始化函数，用汇编写的，在其它地方被调用

5、OS_Start与系统延时函数（阻塞，调度）


void OS_Start(void)
{PendSVPriority_Init(); SysTick_Init();pTCB_Rdy = GetHighRdyTask();pTCB_Rdy->state = eTask_Running;SP_INIT();SetPendSV();while(1);//等待调度}//任务创建举例：
create_new_task(Print_Task,"Print_Task",1,&STK_PRINT_TASK[STK_SIZE-1],&pT2);
void Print_Task(void)
{while(1){printf("print task\r\n");OSDelayTicks(1000);}
}void OSDelayTicks(int ticks)
{pTCB_Cur->state = eTask_Blocked;pTCB_Cur->DlyTim = ticks-1;OS_Schedule();while(pTCB_Cur->DlyTim != 0);//不能是while(1)，否则下次任务解阻塞后，继续运行while(1);
}

6、任务调度：SysTick_Handler函数


void OS_Schedule(void)
{   pTCB pT = GetHighRdyTask();//检测是否需要任务切换，如果需要则挂起PendSV中断if(pT != pTCB_Cur){if(pTCB_Cur->state == eTask_Running)pTCB_Cur->state = eTask_Ready;pTCB_Rdy = pT;pTCB_Rdy->state = eTask_Running;SetPendSV();}
}void SysTick_Handler(void)
{   int i = 0; os_cpu_interrupt_disable();if(GetTaskNum(eTask_Blocked) != 0)//延时任务列表中是否有阻塞任务{for(i = 0; i < created_task_num; i++){if(TASK_LIST[i]->state == eTask_Blocked){if(TASK_LIST[i]->DlyTim == 0)//延时时间到了，解除阻塞{TASK_LIST[i]->state = eTask_Ready;}elseTASK_LIST[i]->DlyTim--;}}}if(GetTaskNum(eTask_Ready) != 0)OS_Schedule();os_cpu_interrupt_enable();
}

踩了不少坑，终于成功迈出了第一步：编写了一个具有多任务功能的RTOS；后续还有很多可以改动的地方（可参考FreeRTOS的机制）

①基础：
如用双向链表（或其它数据结构）优化调度和管理，不阻塞调度的延时函数，阻塞调度的绝对延时函数，补充挂起和删除的操作。
②进阶：
内存管理、共享资源（消息队列、信号量、任务通知）的访问、中断管理等。

结束：

这个是去年5月份做的一个小项目，后面去学Linux系统编程了，也就没有再去花时间和精力将其继续扩展完善。这里将当时的项目过程和笔记分享出来，算是抛转引玉吧。希望能帮助大家对M3内核和RTOS调度有更好的理解。

附上：实现多任务调度的demo

【编写自己的RTOS】搞定任务调度相关推荐

在Android Studio编写代码时，使用MaterialCardView的项目无法正常运行怎么办？简简单单搞定它_莫韵乐与bug的奇妙冒险
在Android Studio编写代码时,使用MaterialCardView布局的项目闪退怎么办?简简单单搞定它当我想用MaterialCardView去做一个好看的界面的时候,应用居然闪退了经 ...
python数学公式编辑工具_1行代码搞定Latex公式编写，这个4.6M的Python小插件，堪称论文必备神器...
原标题:1行代码搞定Latex公式编写,这个4.6M的Python小插件,堪称论文必备神器来源:量子位关注前沿科技萧箫发自凹非寺量子位报道 | 公众号 QbitAI 萧箫发自凹非寺 ...
1行代码搞定Latex公式编写，这个4.6M的Python小插件，堪称论文必备神器
萧箫发自凹非寺量子位报道 | 公众号 QbitAI 写论文时,手敲成堆的计算公式,被虐到头秃? 做讲课PPT时,几十页的计算推理公式,恨不得直接手写拍照? 现在,解放双手的时刻来了,只需要掌握 ...
论文必备神器，1行代码搞定Latex公式编写，这个4.6M的Python小插件
点上方蓝字计算机视觉联盟获取更多干货在右上方 ··· 设为星标 ★,与你不见不散仅作学术分享,不代表本公众号立场,侵权联系删除转载于:量子位报道 | 公众号 QbitAI AI博士笔记系列推荐 ...
tex中让公式和文字在一行_1行代码搞定LaTeX公式编写，这个4.6M的Python小插件，堪称论文必备神器...
点击上方"深度学习工坊",选择加"星标" 重磅干货,第一时间送达萧箫发自凹非寺本文转载自:量子位(QbitAI) 写论文时,手敲成堆的计算公式,被虐到头 ...
搞定 docker k8s，这 2 套视频就够了
点击关注公众号[Java 充电社],帮你挑选更多高质量的学习视频,每天带你充电,如果本文对你有帮助,点个赞.帮忙分享下,感谢您的支持! 今天给大家精选了 2 套 docker 和 k8s 的视频教程. ...
python查看微信撤回消息_想查看微信好友撤回的消息？Python帮你搞定
要说微信最让人恶心的发明,消息撤回绝对能上榜. 比如你现在正和女朋友用微信聊着天,或者跟自己喜欢的女孩子聊着天,一个不留神,你没注意到对方发的消息就被她及时撤回了,这时你很好奇,好奇她到底发了什么?于 ...
机器学习建模神器PyCaret已开源！提升效率，几行代码轻松搞定模型
Datawhale干货编译:张峰,Datawhale成员寄语:PyCaret,是一款 Python中的开源低代码(low-code)机器学习库,支持在「低代码」环境中训练和部署有监督以及无监督的机 ...
酸爽！我用这套无人值守安装系统瞬间搞定上百台服务器
来自:DBAplus社群作者介绍: 季城希,甜橙金融运维工程师,多年IDC运维经验.擅长IDC中服务器批量高效快速集成交付,精通各品牌型号服务器硬件产品及维护. 一.前言为啥要用无人值守安装系统? ...

【编写自己的RTOS】搞定任务调度

结束：

【编写自己的RTOS】搞定任务调度相关推荐

最新文章

热门文章