FreeRTOS基础入门——FreeRTOS内核控制函数（十）

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一、内核控制函数

内核控制函数就是FreeRTOS内核所使用的函数，一般情况下应用层程序不使用这些函数，在FreeRTOS官网可以找到这些函数，如图所示：

这些函数含义如下：

二、内核控制函数详解

2.1 函数task YIELD()

FreeRTOS中的一些**API函数也会调用 taskYIELD() 函数，这些API函数会导致任务切换。**这些API函数和任务切换函数 taskYIELD() 统称为系统调用。实际上，taskYIELD() 函数是一个宏，在文件 task.h 中有如下定义：

换句话说，**系统调用是指调用FreeRTOS系统提供的API函数，这些函数包括任务切换函数 taskYIELD()。**这些API函数会引发任务切换，导致当前任务暂停，切换到另一个任务执行。 taskYIELD() 函数实际上是在文件 task.h中定义的一个宏。

在FreeRTOS中，执行系统调用意味着调用系统提供的相关API函数，这些函数会导致任务切换。一个典型的任务切换函数是 taskYIELD()。实际上， taskYIELD() 是一个宏，在 task.h 文件中有如下定义：

cpp 复制代码

#define taskYIELD() portYIELD()

portYIELD() 也是一个宏，在 portmacro.h 文件中定义：

cpp 复制代码

#define portYIELD() \
    { \
        /* 通过向中断控制和状态寄存器ICSR的bit28写入1挂起PendSV来启动PendSV中断 */ \
        portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \
        __DSB(portSY_FULL_READ_WRITE); \
        __ISB(portSY_FULL_READ_WRITE); \
    }

1. 启动PendSV中断:

portYIELD() 会向中断控制和状态寄存器（ICSR）的bit28写入1，从而挂起PendSV（Pendable Service Call）中断。
这会触发PendSV中断服务函数的执行，进行任务切换。

2. 内存屏障指令:

__DSB(portSY_FULL_READ_WRITE) 和 __ISB(portSY_FULL_READ_WRITE) 是数据同步屏障（DSB）和指令同步屏障（ISB）指令，用于确保内存操作顺序和指令执行顺序。

在中断级别也可以进行任务切换，使用的是 portYIELD_FROM_ISR() 宏。定义如下：

cpp 复制代码

#define portEND_SWITCHING_ISR(xSwitchRequired) \
    if (xSwitchRequired != pdFALSE) { \
        portYIELD(); \
    }

#define portYIELD_FROM_ISR(x) portEND_SWITCHING_ISR(x)

2.2 函数taskENTER_CRITICAL()与taskEXIT_CRITICAL()

在FreeRTOS中，临界区用于保护共享资源，确保在多个任务或中断访问同一资源时不会发生数据竞争。用于进入和退出临界区，taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL() 是用于任务级的临界代码保护，它们必须成对使用。

在FreeRTOS中，宏 taskENTER_CRITICAL() 和 taskEXIT_CRITICAL() 被定义为调用相应的端口特定函数：

cpp 复制代码

#define taskENTER_CRITICAL() portENTER_CRITICAL()
#define taskEXIT_CRITICAL() portEXIT_CRITICAL()

而 portENTER_CRITICAL() 和 portEXIT_CRITICAL() 宏在 portmacro.h 文件中被定义为调用端口特定的实现函数：

cpp 复制代码

#define portENTER_CRITICAL() vPortEnterCritical()
#define portEXIT_CRITICAL() vPortExitCritical()

在 port.c 文件中，vPortEnterCritical() 和 vPortExitCritical() 函数的实现如下：

cpp 复制代码

// 用于记录临界区嵌套次数的全局变量
static UBaseType_t uxCriticalNesting = 0;

void vPortEnterCritical(void)
{
    // 关闭中断
    portDISABLE_INTERRUPTS();
    
    // 增加嵌套计数
    uxCriticalNesting++;
    
    if (uxCriticalNesting == 1)
    {
        // 确保没有嵌套在中断上下文中
        configASSERT((portNVIC_INT_CTRL_REG & portVECTACTIVE_MASK) == 0);
    }
}

void vPortExitCritical(void)
{
    // 确保嵌套计数不为零
    configASSERT(uxCriticalNesting > 0);
    
    // 减少嵌套计数
    uxCriticalNesting--;
    
    if (uxCriticalNesting == 0)
    {
        // 使能中断
        portENABLE_INTERRUPTS();
    }
}

1. 进入临界区 (vPortEnterCritical):

关闭中断，以确保临界区代码不会被中断打断。
递增嵌套计数 uxCriticalNesting。
如果嵌套计数为1，确保当前不在中断上下文中执行。

退出临界区 (vPortExitCritical):

检查嵌套计数，确保其大于0。
递减嵌套计数 uxCriticalNesting。
如果嵌套计数为0，重新使能中断。

2.3 函数taskENTER CRITICAL FROM ISR()与taskEXIT CRITICAL FROM ISR()

在FreeRTOS中，**taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 和 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR() 用于中断服务程序（ISR）中的临界区保护，进入和退出临界区，用于中断服务函数中。**与任务级的临界区保护类似，这些宏用于确保在处理共享资源时不会受到中断的干扰。

在FreeRTOS中，taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() 和 taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(x) 被定义为调用端口特定的函数：

cpp 复制代码

#define taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR() portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR()
#define taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(x) portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x)

而 portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() 和 portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) 在 portmacro.h 文件中被定义为调用端口特定的实现函数：

cpp 复制代码

#define portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR() ulPortRaiseBASEPRI()
#define portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR(x) vPortSetBASEPRI(x)

ulPortRaiseBASEPRI() 这个函数用于提升 BASEPRI 寄存器的值，以屏蔽低优先级中断：

cpp 复制代码

static portFORCE_INLINE uint32_t ulPortRaiseBASEPRI(void)
{
    uint32_t ulReturn, ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
    
    // 将当前的BASEPRI值保存到ulReturn中
    asm volatile (
        "mrs %0, basepri \n"        // (1)
        "msr basepri, %1 \n"        // (2)
        "dsb \n"
        "isb \n"
        : "=r" (ulReturn) 
        : "r" (ulNewBASEPRI)
    );
    
    return ulReturn;                // (3)
}

1. 保留当前 BASEPRI 值 : 从 BASEPRI 寄存器中读取当前值并保存在 ulReturn 中。

2. 设置新的 BASEPRI 值 : 将 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 写入 BASEPRI 寄存器，以屏蔽低优先级中断。

3. 返回原始 BASEPRI 值: 用于退出临界区时恢复。

中断级临界代码保护方法如下：

cpp 复制代码

// 定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) == SET) // 检查是否为溢出中断
    {
        // 进入临界区，保存原始的BASEPRI值
        uint32_t status_value = taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR();
        
        {
            // 临界区代码，保护共享资源 total_num
            total_num += 1;
            printf("total_num 的值为：%d\n", total_num);
        }
        
        // 退出临界区，恢复原始的BASEPRI值
        taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR(status_value);
        
        // 清除中断标志位
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
    }
}

2.4 函数taskENABLE INTERRUPTS()与taskENABLE INTERRUPTS()

用于关闭进入中断。

在FreeRTOS中，portDISABLE_INTERRUPTS()和portENABLE_INTERRUPTS()宏定义如下：

cpp 复制代码

#define portDISABLE_INTERRUPTS() vPortRaiseBASEPRI()
#define portENABLE_INTERRUPTS() vPortSetBASEPRI(0)

这些宏在portmacro.h文件中定义，并调用相应的函数来控制中断。

以下是vPortSetBASEPRI()和vPortRaiseBASEPRI()函数的实现：

cpp 复制代码

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI(uint32_t ulBASEPRI)
{
    asm volatile (
        "msr basepri, %0\n"
        :
        : "r" (ulBASEPRI)
    );
}

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI(void)
{
    uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;
    asm volatile (
        "msr basepri, %0\n"
        "dsb\n"
        "isb\n"
        :
        : "r" (ulNewBASEPRI)
    );
}

1. vPortSetBASEPRI(uint32_t ulBASEPRI):

这个函数向BASEPRI寄存器写入一个值，该值作为参数ulBASEPRI传递进来。
当传递的值为0时，表示开启中断，因为0值不会屏蔽任何中断。

2. vPortRaiseBASEPRI():

这个函数向BASEPRI寄存器写入configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值。
这个值会屏蔽所有优先级低于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断。

2.5 函数vTaskStartScheduler()与vTaskEndScheduler()

vTaskStartScheduler()和vTaskEndScheduler()函数分别用于启动和关闭任务调度器。

vTaskStartScheduler()用于启动FreeRTOS任务调度器。这是一个关键函数，它启动任务调度并将控制权交给任务，通常在主程序的最后调用vTaskStartScheduler()来启动调度。调用此函数后，任务调度器开始运行，任务按其优先级和调度策略被执行。

以下是vTaskStartScheduler()函数的简化实现示意：

cpp 复制代码

void vTaskStartScheduler(void)
{
    // 配置定时器中断，用于实现系统节拍
    prvSetupTimerInterrupt();

    // 启动第一个任务
    portRESTORE_CONTEXT();

    // 此函数通常不会返回，除非调度器停止
    for(;;);
}

vTaskEndScheduler()用于关闭FreeRTOS任务调度器。这个函数在大多数移植中未实现，因为关闭调度器通常不会被使用。

在需要停止调度器时调用此函数。调用后，调度器停止，系统返回到调用vTaskStartScheduler()之前的状态。

以下是vTaskEndScheduler()函数的典型实现：

cpp 复制代码

void vTaskEndScheduler(void)
{
    // 停止系统节拍的生成
    portDISABLE_INTERRUPTS();

    // 恢复到调度器启动前的状态
    // 此部分具体实现取决于硬件和移植层
}

2.6 函数VTaskSuspendAll()与函数xTaskResumeAll()

vTaskSuspendAll()和xTaskResumeAll()函数用于挂起和恢复任务调度器。

在文件tasks.c中，vTaskSuspendAll()函数的定义如下：

cpp 复制代码

void vTaskSuspendAll(void)
{
    ++uxSchedulerSuspended;
}

uxSchedulerSuspended是一个挂起嵌套计数器。
每次调用vTaskSuspendAll()，uxSchedulerSuspended加一，表示调度器被挂起的次数。
支持嵌套挂起，即可以多次调用vTaskSuspendAll()。

在文件tasks.c中，xTaskResumeAll()函数的定义如下：

cpp 复制代码

BaseType_t xTaskResumeAll(void)
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    BaseType_t xAlreadyYielded = pdFALSE;

    configASSERT(uxSchedulerSuspended);

    taskENTER_CRITICAL();
    {
        --uxSchedulerSuspended;

        if (uxSchedulerSuspended == (UBaseType_t)pdFALSE)
        {
            if (uxCurrentNumberOfTasks > (UBaseType_t)0U)
            {
                while (listLIST_IS_EMPTY(&xPendingReadyList) == pdFALSE)
                {
                    pxTCB = (TCB_t *)listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY(&xPendingReadyList);
                    (void)uxListRemove(&(pxTCB->xEventListItem));
                    (void)uxListRemove(&(pxTCB->xStateListItem));
                    prvAddTaskToReadyList(pxTCB);

                    if (pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority)
                    {
                        xYieldPending = pdTRUE;
                    }
                    else
                    {
                        mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
                    }
                }

                if (xYieldPending != pdFALSE)
                {
#if (configUSE_PREEMPTION != 0)
                    {
                        xAlreadyYielded = pdTRUE;
#endif
                        taskYIELD_IF_USING_PREEMPTION();
                    }
                }
                else
                {
                    mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
                }
            }
            else
            {
                mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
            }
        }
    }
    taskEXIT_CRITICAL();

    return xAlreadyYielded;
}

1. 进入临界区：

taskENTER_CRITICAL();：进入临界区，保护调度器状态。

2. 减少挂起计数器：

--uxSchedulerSuspended;：减少挂起计数器，表示解除一次挂起。

检查是否完全恢复：

if (uxSchedulerSuspended == (UBaseType_t)pdFALSE)：如果挂起计数器为0，表示调度器完全恢复。

4.处理挂起的任务：

while (listLIST_IS_EMPTY(&xPendingReadyList) == pdFALSE)：循环处理xPendingReadyList中的任务。
pxTCB = (TCB_t *)listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY(&xPendingReadyList);：获取挂起的任务控制块。
(void)uxListRemove(&(pxTCB->xEventListItem));：从事件列表中移除任务。
(void)uxListRemove(&(pxTCB->xStateListItem));：从状态列表中移除任务。
prvAddTaskToReadyList(pxTCB);：将任务添加到就绪列表中。
if (pxTCB->uxPriority > pxCurrentTCB->uxPriority)：如果任务优先级高于当前任务，设置xYieldPending为pdTRUE。

5. 任务切换：

if (xYieldPending != pdFALSE)：如果需要任务切换。
xAlreadyYielded = pdTRUE;：标记在xTaskResumeAll()中进行了任务切换。
taskYIELD_IF_USING_PREEMPTION();：进行任务切换。

退出临界区：

taskEXIT_CRITICAL();：退出临界区。

vTaskSuspendAll()：挂起任务调度器，增加挂起计数器。

xTaskResumeAll()：恢复任务调度器，减少挂起计数器，处理挂起的任务，并进行必要的任务切换。

2.7 VTaskStepTick()

FreeRTOS的低功耗tickless模式通过停止系统时钟节拍中断来减少功耗。**在这种模式下，当系统进入空闲状态时，系统时钟中断会被停止，并且在系统从低功耗模式退出时需要补偿这段暂停时间。用于设置系统节拍值，****用于在tickless模式下补偿系统时钟暂停的时间。**补偿的工作由vTaskStepTick()函数完成。

在文件tasks.c中，vTaskStepTick()函数的定义如下：

cpp 复制代码

void vTaskStepTick(const TickType_t xTicksToJump)
{
    // 确保跳过的tick数不会超过下一个任务需要解除阻塞的时间
    configASSERT((xTickCount + xTicksToJump) <= xNextTaskUnblockTime);

    // 更新系统时间
    xTickCount += xTicksToJump;

    // 记录系统时间更新的事件
    traceINCREASE_TICK_COUNT(xTicksToJump);
}

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