抢占式调度:
- 高优先级的可以优先运行,即使以及有低优先级的在运行,会先停止低的再运行高的(优先级按数字大小分大小)
- 高优先级任务不停止,低优先级的任务无法运行
- 被抢占的任务会进入就绪态
时间片调度:
- 同等优先级任务轮流享有相同的CPU占用时间(可设置),叫时间片,在Free RTOS中一个时间片等于SysTick(系统/滴答定时器)中断周期
- 没有用完的时间直接丢掉,不会补偿,永远都是一个时间片
**任务状态:**运行态,就绪态,阻塞态,挂起态(类似暂停,调用vTaskSuspend()进入挂起态,调用vTaskResume()解除挂起态进入就绪态)
仅就绪态可以直接进入运行态
任务创建与删除:
- 使用xTaskCreate() 动态方法创建任务
- 使用xTaskCreateStatic() 多了一个Static(静态)表示静态方法创建任务
- 使用vTaskDelete() 删除任务
- 动态静态区别在分配内存的方法不同,静态由用户自己分配,动态由Free RTOS自己分配,在它管理的堆中
任务控制块也就是TCB,可以看作是任务的身份证,用于辨识任务。
创建任务具体流程:
一:内存准备
- 申请任务堆栈内存(获取首地址)
- 申请任务控制块TCB内存(获取首地址)
- 将堆栈地址绑定到TCB的栈成员
二:TCB初始化
- 调用 prvInitialiseNewTask()
1 初始化堆栈(可选填0xA5)
2 记录栈顶地址 → pxTopOfStack
3 保存任务名称 → pcTaskName[]
4 保存任务优先级 → uxPriority
5 绑定状态列表项/事件列表项与TCB关系
三:加入就绪列表
- 调用 prvAddNewTaskToReadyList()
1 全局操作:
-
- 任务计数器 uxCurrentNumberOfTasks++
- 若是首个任务 → 初始化任务列表
2 非首任务时:
-
- 若调度器未启动:比较新任务与当前任务优先级,更高则切换当前TCB指向
- 优先级位图操作:将 uxTopReadyPriority 对应优先级位置1(标记就绪)
- 按优先级升序插入就绪列表末尾(值越小优先级越高)
3 栈与句柄初始化:
-
- 调用 pxPortInitialiseStack 初始化寄存器上下文空间
- 任务句柄指向TCB地址
四:动态响应
触发任务切换条件:
若调度器已运行 且 新任务优先级 > 当前任务 → 立即执行任务切换
删除任务具体流程:
一:任务定位
- 获取目标TCB
- 通过任务句柄判断删除对象:
- NULL → 删除当前任务(自身)
- 有效句柄 → 删除指定任务
- 通过任务句柄判断删除对象:
二:解除任务关联
- 移除任务所有关联列表
- 将任务从所属队列中移除,包括:
- 就绪列表(Ready List)
- 阻塞列表(Blocked List)
- 挂起列表(Suspended List)
- 事件等待列表(Event List)
- 将任务从所属队列中移除,包括:
三:删除类型分流
- 根据删除类型执行操作
- 情况A:删除自身任务
- 将当前任务加入 等待删除列表
- 内存释放委托:由空闲任务(Idle Task)后续执行 prvDeleteTCB() 释放TCB及栈内存
- 情况B:删除其他任务
- 立即调用 prvDeleteTCB() 直接释放内存
- 全局更新:
○ 任务计数器减一(uxCurrentNumberOfTasks--)
○ 阻塞超时校准:检查被删任务是否为下一个待唤醒的阻塞任务 → 更新超时计时器
- 情况A:删除自身任务
四:调度响应
- 强制切换条件:
- 若 调度器正在运行 且 删除的是自身任务 → 立即触发一次任务切换(上下文切换)
R11-R4寄存器实际是内存,就是存放任务的具体内容,任务要运行就是把任务函数地址赋值给PC寄存器,M4,M7的EXC_RETURN的bit4可以修改,1表示不支持浮点数,0表示支持
每个优先级前有一位,用来判断是不是有任务,有就置1,方便后续任务切换
挂起与恢复
挂起:类似暂停,可以恢复
FromISP后缀:中断中专用,Free RTOS管理的中断优先级为5-15,要注意中断时调用Free RTOS的API函数要保证中断优先级不高于它管理的最高优先级(数字低为高)
建议把所有优先级位指定为抢占优先级位,方便FreeRTOS管理
任务挂起函数流程:
一:任务定位
- 获取目标TCB
- 任务句柄为 NULL → 挂起当前任务(自身)
二:解除任务关联
- 移除任务所有状态列表
- 从以下列表中移除任务:
- 就绪列表(Ready List)
- 阻塞列表(Blocked List)
- 事件列表(Event List)
- 从以下列表中移除任务:
- 加入挂起列表
- 将任务插入 挂起列表(Suspended List) 末尾
三:调度环境判断
- 调度器运行中操作
- 更新下一次阻塞时间(防止被挂起任务阻塞后续任务唤醒)
- 若挂起自身 → 立即触发任务切换
- 调度器未运行操作
- 检查挂起任务数:
- 挂起数 = 总任务数 → 当前控制块置 NULL
- 否则 → 激活下一个最高优先级任务
- 检查挂起任务数:
任务恢复函数流程:
一:恢复条件校验
- 宏 INCLUDE_vTaskSuspend 必须配置为 1
- 禁止恢复运行中的任务
二:恢复操作
- 检查任务状态
- 任务在挂起列表中 → 移出挂起列表
- 加入就绪列表
- 将任务按优先级插入就绪列表末尾
- 触发切换判断
- 恢复任务优先级 > 当前任务 → 触发任务切换
中断恢复函数流程:
一:中断安全操作
- 关闭FreeRTOS管理的中断
- 保存 BASEPRI 寄存器原值
- 防止被其他中断打断
二:恢复操作判断
- 调度器状态检查
- 调度器未挂起 :
- 若任务在挂起列表 → 移出并加入就绪列表
- 恢复任务优先级 > 当前任务 → 标记 xYieldRequired = pdTRUE
- 调度器已挂起 :
- 将任务插入 等待就绪列表(延后处理)
- 调度器未挂起 :
三:环境还原与返回
- 恢复中断状态
- 还原 BASEPRI 寄存器值
- 返回切换标记
- 输出 xYieldRequired 供中断退出时判断是否切换任务
一:系统中断优先级配置寄存器
寄存器组:SHPR1、SHPR2、SHPR3
- 关键操作 :
- 通过 SHPR3 配置 PendSV 和 SysTick 中断优先级
- 设定原则 :将其设为最低优先级
- 设计目的 :
- 确保系统任务切换(PendSV)和心跳调度(SysTick)
- 不阻塞其他高优先级中断的实时响应
二:中断屏蔽寄存器组
寄存器 | 功能描述 |
---|---|
PRIMASK | 屏蔽所有可配置优先级的中断 |
FAULTMASK | 屏蔽除NMI外的所有异常和中断 |
BASEPRI | 核心寄存器:屏蔽优先级低于设定阈值的中断 |
BASEPRI 工作机制
- 阈值控制逻辑 :
- 写入值 0xN0(N为十六进制优先级阈值)
- 示例 :设定 BASEPRI = 0x50 时:
- 屏蔽范围:优先级值 5~15(值越大优先级越低)
- FreeRTOS依赖 :
- 中断管理基石 :通过动态调节BASEPRI实现:
- 临界区保护
- 中断嵌套控制
- 中断管理基石 :通过动态调节BASEPRI实现:
三:技术实质说明
- 优先级数值规则 :
- 数值越小优先级越高(0为最高)
- SHPR3设置最低优先级即赋予最大数值
- 安全隔离设计 :
- PendSV/SysTick 低优先级 → 避免抢占关键外设中断
- BASEPRI 阈值屏蔽 → 保障高实时性中断响应
- FreeRTOS应用 :
- portDISABLE_INTERRUPTS() 本质是设置BASEPRI阈值
- taskENTER_CRITICAL() 依赖此寄存器构建临界区
FreeRTOS中的列表实质上就是一个双向的环状链表,首尾相连,可以随意添加或删除列表项,有一个变量记录列表项数目,用于遍历,每个列表项有编号用于排序,初始化有一个末尾列表项,,它不计入列表数,编号最大。
两个校验值就是存放确定已知的常量,通过检查它是否变化来判断数据是否受到破坏,一般用于调试。
下面为迷你列表项,它也是列表项,但仅用于标记列表的末尾和挂载其他插入列表中的列 表项,用户是用不到迷你列表项的
- vListInitialise()初始化列表就是把列表末尾项编号赋为最大,首尾指向它自己,再初始化两个校验值,传入参数为要初始化的列表。
- vListInitialiseItem()初始化列表项就是把它所属列表项赋值为NULL,同样初始化两个校验值,传入参数为要初始化的列表项。
- vListInsertEnd()列表项末尾插入列表项是一种无序的排列,是把它插入到列表 pxIndex 指向列表项的前面,不管它的编号大小,传入参数为列表和要插入的列表项。
- vListInsert()列表插入列表项是一种有序排列,会根据编号来寻找合适的位置插入(如果最大就插入到末尾项前面,否则就遍历找位置)传入参数同上。
- uxListRemove()列表移除列表项就是跟链表删除一样,传入要删除的列表项,返回值为删除后剩余列表项数目
FreeRTOS任务切换出栈流程详解(严格遵循您提供的寄存器架构图)
任务切换出栈流程如下:首先通过三重指针(TCBTop->R3->R1->R0)获取TCB栈顶地址,这时R0指向R4也就是手动恢复起始点,就开始进行手动出栈,把栈内R4-R11寄存器储存的数据出栈到CPU的R4-R11寄存器,也就是用ldmia r0!, {r4-r11}把数据弹出到CPU,每弹出一个R0地址增加4字节,完成后R0指向xPSR寄存器,然后把R0的地址加载到PSP任务进程指针,这时PSP指向硬件自动恢复区起始点xPSR,就触发硬件自动恢复,最后再把R0清零,把R0的值赋值给basepri开启中断。
栈位置 | 寄存器 | 类型 | 作用说明 | |
---|---|---|---|---|
栈顶 (低地址) | R4 | 通用寄存器 | 任务内部变量(手动恢复区起始) | |
↑ | R5 | 通用寄存器 | 任务内部变量 | |
↑ | R6 | 通用寄存器 | 任务内部变量 | |
↑ | R7 | 通用寄存器 | 任务内部变量 | |
↑ | R8 | 通用寄存器 | 任务内部变量 | |
↑ | R9 | 通用寄存器 | 任务内部变量 | |
↑ | R10 | 通用寄存器 | 任务内部变量 | |
↑ | R11 | 通用寄存器 | 任务内部变量(手动恢复区结束) | |
-------- | ---------- | --------------------------- | ||
↑ | xPSR | 特殊功能寄存器 | 程序状态寄存器 • 恢复任务运行状态 • 包含Thumb模式标志(bit0=1) • 中断号等关键状态信息 | |
↑ | R15(PC) | 特殊功能寄存器 | 程序计数器 • 核心跳转控制 • 恢复时立即执行任务入口函数 • 实现执行流无缝切换 | |
↑ | R14(LR) | 特殊功能寄存器 | 链接寄存器 • 存储0xFFFFFFFD值 • 指示使用PSP恢复上下文 • 引导硬件自动恢复流程 | |
↑ | R12 | 通用寄存器 | 临时寄存器(自动恢复) | |
↑ | R3 | 通用寄存器 | 通用寄存器(自动恢复) | |
↑ | R2 | 通用寄存器 | 通用寄存器(自动恢复) | |
↑ | R1 | 通用寄存器 | 通用寄存器(自动恢复) | |
栈底 (高地址) | R0 | 通用寄存器 | 任务参数寄存器 • 存储pvParameters任务参数 • 作为任务函数第一个参数 |
关键寄存器协同机制表
寄存器 | 作用 | 恢复方式 | 协同机制说明 |
---|---|---|---|
R13(PSP) | 任务栈指针 | 软件设置 | • 通过MSR PSP, R0设置 • 定位硬件恢复起始位置 • 任务运行时动态维护栈顶 |
R14(LR) | 上下文恢复控制器 | 软件设置 | • 存储0xFFFFFFFD魔数 • 触发时指示硬件使用PSP恢复 • 控制处理器返回线程模式 |
R15(PC) | 执行流切换器 | 硬件自动恢复 | • 恢复时立即跳转至任务代码 • 实现任务无缝切换 • 决定程序执行位置 |
xPSR | 状态同步器 | 硬件自动恢复 | • 恢复中断前的程序状态 • 保证Thumb模式正常运行(bit0=1) • 维持中断/异常状态一致性 |
• 压栈操作:地址递减(栈顶向低地址移动)
• 出栈操作:地址递增(栈顶向高地址移动)
• 切换流程:手动恢复(R4-R11)后,指针↑移动到xPSR,触发硬件自动↑恢复关键寄存器