【FreeRTOS源码学习笔记】任务延时列表
- 前言
- 一、任务延时列表的工作原理
- 二、实现任务延时列表
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- [2.1 定义任务延时列表](#2.1 定义任务延时列表)
- [2.2 任务延时列表初始化](#2.2 任务延时列表初始化)
- [2.3 初始化 xNextTaskUnblockTime](#2.3 初始化 xNextTaskUnblockTime)
- 三、修改代码以支持任务延时列表
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- [3.1 修改 vTaskDelay() 函数](#3.1 修改 vTaskDelay() 函数)
- [3.2 修改 xTaskIncrementTick() 函数](#3.2 修改 xTaskIncrementTick() 函数)
- [3.3 修改 taskRESET_READY_PRIORITY() 函数](#3.3 修改 taskRESET_READY_PRIORITY() 函数)
- 四、易错点
前言
在之前，为了实现任务的阻塞延时，在任务控制块中内置了一个延时变量 xTicks-ToDelay。每当任务需要延时的时候，就初始化 xTicksToDelay 需要延时的时间，然后将任务挂起，这里的挂起只是将任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位清零，并不会将任务从就绪列表中删除。当每次时基中断（SysTick 中断）来临时，就扫描就绪列表中每个任务的 xTicksToDelay，如果 xTicksToDelay 大于 0，则递减一次，然后判断 xTicksToDelay 是否为 0，如果为 0 则表示延时时间到，将该任务就绪（即将任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位置位），然后进行任务切换。这种延时的缺点是，在每个时基中断中需要对所有任务都扫描一遍，比较费时，优点是容易理解。之所以先这样讲解，是为了慢慢地过渡到对 FreeRTOS 任务延时列表的介绍。
一、任务延时列表的工作原理
在 FreeRTOS 中，有一个任务延时列表（实际上有两个，为了方便讲解原理，我们假设将二者合并为一个，其实两个延时列表的作用是一样的），当任务需要延时，则先将任务挂起，即先将任务从就绪列表中删除，然后插入任务延时列表，同时更新下一个任务的解锁时刻变量 xNextTaskUnblockTime 的值。
xNextTaskUnblockTime 的值等于系统时基计数器的值 xTickCount 加上任务需要延时的值 xTicksToDelay。当系统时基计数器 xTickCount 的值与 xNextTaskUnblockTime 相等时，就表示有任务延时到期了，需要将该任务就绪。与 RT-Thread 和 μC/OS 在解锁延时任务时要扫描定时器列表这种时间不确定的方法相比，FreeRTOS 中的 xNextTaskUnblockTime 全局变量设计得非常巧妙。
任务延时列表维护着一条双向链表，每个节点代表了正在延时的任务，节点按照延时时间大小做升序排列。当每次时基中断（SysTick 中断）来临时，就用系统时基计数器的值 xTickCount 与下一个任务的解锁时刻变量 xNextTaskUnblockTime 的值相比较，如果相等，则表示有任务延时到期，需要将该任务就绪，否则只是单纯地更新系统时基计数器 xTickCount 的值，然后进行任务切换。
二、实现任务延时列表
2.1 定义任务延时列表
任务延时列表在 task.c 中定义。
c
1 static List_t xDelayedTaskList1; (1)
2 static List_t xDelayedTaskList2; (2)
3 static List_t * volatile pxDelayedTaskList; (3)
4 static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList; (4)( 1 )( 2 )：FreeRTOS 定义了两个任务延时列表，当系统时基计数器 xTickCount 没有溢出时，用一个列表，当 xTickCount 溢出后，用另外一个列表。
( 3 )：任务延时列表指针，指向 xTickCount 没有溢出时使用的列表。
( 4 )：任务延时列表指针，指向 xTickCount 溢出时使用的列表。
2.2 任务延时列表初始化
任务延时列表属于任务列表的一种，在 prvInitialiseTaskLists() 函数中初始化。
c
1 /* 初始化任务相关的列表 */
2 void prvInitialiseTaskLists( void )
3 {
4 UBaseType_t uxPriority;
5
6 /* 初始化就绪列表 */
7 for ( uxPriority = ( UBaseType_t ) 0U;
8 uxPriority < ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES;
9 uxPriority++ )
10 {
11 vListInitialise( &( pxReadyTasksLists[ uxPriority ] ) );
12 }
13
14 vListInitialise( &xDelayedTaskList1 );
15 vListInitialise( &xDelayedTaskList2 );
16
17 pxDelayedTaskList = &xDelayedTaskList1;
18 pxOverflowDelayedTaskList = &xDelayedTaskList2;
19 }就绪列表是一个数组，每个数组元素就是一个链表，所以用循环来进行初始化。
延时列表就是一个链表，所以直接初始化即可。
2.3 初始化 xNextTaskUnblockTime
xNextTaskUnblockTime 是一个在 task.c 中定义的静态变量，用于表示下一个任务的解锁时刻。xNextTaskUnblockTime 的值等于系统时基计数器的值 xTickCount 加上任务需要延时的值 xTicksToDelay。当系统时基计数器的值 xTickCount 的值与 xNextTaskUnblockTime 相等时，就表示有任务延时到期了，需要将该任务就绪。
xNextTaskUnblockTime 在 vTaskStartScheduler() 函数中初始化为 portMAX_DELAY(portMAX_DELAY 是一个 portmacro.h 中定义的宏，默认为 0xffffffffUL)
c
1 void vTaskStartScheduler( void )
2 {
3 /*========================== 创建空闲任务 start ==========================*/
4 TCB_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
5 StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
6 uint32_t ulIdleTaskStackSize;
7
8 /* 获取空闲任务的内存：任务栈和任务 TCB */
9 vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer,
10 &pxIdleTaskStackBuffer,
11 &ulIdleTaskStackSize );
12
13 xIdleTaskHandle =
14 xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask,
15 (char *)"IDLE",
16 (uint32_t)ulIdleTaskStackSize,
17 (void *) NULL,
18 (UBaseType_t) tskIDLE_PRIORITY,
19 (StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer,
20 (TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer );
21 /*========================== 创建空闲任务 end ==========================*/
22
23 xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; //--新增--//
24
25 xTickCount = ( TickType_t ) 0U;
26
27 /* 启动调度器 */
28 if ( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
29 {
30 /* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */
31 }
32 }为什么要初始化成一个极大的值？
表示"当前没有任何任务处于阻塞延时状态"
防止滴答中断误判（避免无意义的开销）：
假设初始化为 0。系统刚开始运行，xTickCount 也是 0（或很小）。那么在第一次 Tick 中断时，xTickCount >= xNextTaskUnblockTime 直接成立。调度器每次中断都会去检查延时列表（Delayed List），但列表其实是空的。这不仅浪费CPU周期，还增加了系统出错的概率。设为极大值，就可以直接跳过这个检查，提升效率。
后面提到的prvAddCurrentTaskToDelayedList() 函数会比较大小然后更新 xNextTaskUnblockTime。
三、修改代码以支持任务延时列表
接下来我们在之前代码的基础上，继续迭代修改，从而实现支持任务延时列表。
3.1 修改 vTaskDelay() 函数
c
1 void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
2 {
3 TCB_t *pxTCB = NULL;
4
5 /* 获取当前任务的 TCB */
6 pxTCB = pxCurrentTCB;
7
8 /* 设置延时时间 */
9 //pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay; (1)
10
11 /* 将任务插入延时列表 */
12 prvAddCurrentTaskToDelayedList( xTicksToDelay ); (2)
13
14 /* 任务切换 */
15 taskYIELD();
16 }( 1 )：从本章开始，添加了任务的延时列表，延时时不用再依赖任务 TCB 中内置的延时变量 xTicksToDelay。
( 2 )：将任务插入延时列表。函数 prvAddCurrentTaskToDelayedList() 在 task.c 中定义，具体实现如下。
prvAddCurrentTaskToDelayedList() 函数
c
1 static void prvAddCurrentTaskToDelayedList( TickType_t xTicksToWait )
2 {
3 TickType_t xTimeToWake;
4
5 /* 获取系统时基计数器 xTickCount 的值 */ (1)
6 const TickType_t xConstTickCount = xTickCount;
7
8 /* 将任务从就绪列表中移除 */ (2)
9 if ( uxListRemove( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) )
10 == ( UBaseType_t ) 0 )
11 {
12 /* 将任务在优先级位图中对应的位清除 */
13 portRESET_READY_PRIORITY( pxCurrentTCB->uxPriority,
14 uxTopReadyPriority );
15 }
16
17 /* 计算任务延时到期时，系统时基计数器 xTickCount 的值是多少 */ (3)
18 xTimeToWake = xConstTickCount + xTicksToWait;
19
20 /* 将延时到期的值设置为节点的排序值 */ (4)
21 listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxCurrentTCB->xStateListItem ),
22 xTimeToWake );
23
24 /* 溢出 */ (5)
25 if ( xTimeToWake < xConstTickCount )
26 {
27 vListInsert( pxOverflowDelayedTaskList,
28 &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) );
29 }
30 else/* 没有溢出 */
31 {
32 vListInsert( pxDelayedTaskList,
33 &( pxCurrentTCB->xStateListItem ) ); (6)
34
35 /* 更新下一个任务解锁时刻变量 xNextTaskUnblockTime 的值 */ (7)
36 if ( xTimeToWake < xNextTaskUnblockTime )
37 {
38 xNextTaskUnblockTime = xTimeToWake;
39 }
40 }
41
42 }（1）：获取系统时基计数器 xTickCount 的值，xTickCount 是一个在 task.c 中定义的全局变量，用于记录 SysTick 的中断次数。
（2）：调用函数 uxListRemove() 将任务从就绪列表中移除，uxListRemove() 会返回当前链表下节点的个数，如果为 0，则表示当前链表下没有任务就绪，那么将调用函数 portRESET_READY_PRIORITY() 将任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位清除。因为 FreeRTOS 支持同一个优先级下可以有多个任务，所以在清除优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位时要判断该优先级下的就绪列表是否还有其他任务。到目前为止，我们还没有实现支持同一个优先级下有多个任务的功能，这个功能我们将在第 10 章实现。
（3）：计算任务延时到期时，系统时基计数器 xTickCount 的值是多少。
（4）：将任务延时到期的值设置为节点的排序值。将任务插入延时列表时就是根据这个值来做升序排列的，最先延时到期的任务排在最前面。
（5）：xTimeToWake 溢出，将任务插入溢出任务延时列表。溢出是什么意思？xTimeToWake 等于系统时基计数器 xTickCount 的值加上任务需要延时的时间 xTicks-ToWait。例如，如果当前 xTickCount 的值等于 0xffffffffUL，xTicksToWait 等于 0x03，那么 xTimeToWake = 0xffffffffUL + 0x03 = 1，显然得出的值比任务需要延时的时间 0x03 还小，这肯定不正常，说明溢出了，这个时候需要将任务插入溢出任务延时列表。
（6）：xTimeToWake 没有溢出，则将任务插入正常任务延时列表。
（7）：更新下一个任务解锁时刻变量 xNextTaskUnblockTime 的值。这一步很重要，在 xTaskIncrementTick() 函数中，我们只需要让系统时基计数器 xTickCount 与 xNextTaskUnblockTime 的值先进行比较，就可以知道延时最快结束的任务是否到期。
3.2 修改 xTaskIncrementTick() 函数
对 xTaskIncrementTick() 函数的改动较大，具体参见代码清单 9-6 。
代码清单 9-6 xTaskIncrementTick() 函数
c
1 void xTaskIncrementTick( void )
2 {
3 TCB_t * pxTCB;
4 TickType_t xItemValue;
5
6 const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1; (1)
7 xTickCount = xConstTickCount;
8
9 /* 如果 xConstTickCount 溢出，则切换延时列表 */ (2)
10 if ( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U )
11 {
12 taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
13 }
14
15 /* 最近的延时任务延时到期 */ (3)
16 if ( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
17 {
18 for ( ; ; )
19 {
20 if ( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE ) (4)
21 {
22 /* 延时列表为空，设置 xNextTaskUnblockTime 为可能的最大值 */
23 xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
24 break;
25 }
26 else/* 延时列表不为空 */ (5)
27 {
28 pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
29 xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );
30
31 /* 直到将延时列表中所有延时到期的任务移除才跳出 for 循环 */ (6)
32 if ( xConstTickCount < xItemValue )
33 {
34 xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
35 break;
36 }
37
38 /* 将任务从延时列表中移除，解除等待状态 */ (7)
39 ( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );
40
41 /* 将解除等待的任务添加到就绪列表 */ (8)
42 prvAddTaskToReadyList( pxTCB );
43 }
44 }
45 }/* xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime */
46
47 /* 任务切换 */
48 portYIELD(); (10)
49 }代码清单 9-6 ( 1 )：更新系统时基计数器 xTickCount 的值。
代码清单 9-6 ( 2 )：如果系统时基计数器 xTickCount 溢出，则切换延时列表。taskSWITCH_DELAYED_LISTS() 函数在 task.c 中定义，具体实现参见代码清单 9-7。
代码清单 9-7 taskSWITCH_DELAYED_LISTS() 函数
c
1 #define taskSWITCH_DELAYED_LISTS() \
2 { \
3 List_t *pxTemp; \
4 pxTemp = pxDelayedTaskList; \ (1)
5 pxDelayedTaskList = pxOverflowDelayedTaskList; \
6 pxOverflowDelayedTaskList = pxTemp; \
7 xNumOfOverflows++; \
8 prvResetNextTaskUnblockTime(); \ (2)
9 }代码清单 9-7 ( 1 )：切换延时列表，实际就是更换 pxDelayedTaskList 和 pxOverflowDelayedTaskList 这两个指针的指向。
代码清单 9-7 ( 2 )：复位 xNextTaskUnblockTime 的值。prvResetNextTaskUnblockTime() 函数在 task.c 中定义，具体实现参见代码清单 9-8。
代码清单 9-8 prvResetNextTaskUnblockTime() 函数
c
1 static void prvResetNextTaskUnblockTime( void )
2 {
3 TCB_t *pxTCB;
4
5 if ( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
6 {
7 /* 当前延时列表为空，则设置 xNextTaskUnblockTime 等于最大值 */
8 xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
9 }
10 else
11 {
12 /* 当前列表不为空，表示有任务在延时，则获取当前列表下第一个节点的排序值
13 然后将该节点的排序值更新到 xNextTaskUnblockTime */
14 ( pxTCB ) = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
15 xNextTaskUnblockTime = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( ( pxTCB )->xStateListItem ) );
16 }
17 }代码清单 9-6 ( 3 )：有任务延时到期，则进入下面的 for 循环，一一将这些延时到期的任务从延时列表中移除。
代码清单 9-6（4）：延时列表为空，则将 xNextTaskUnblockTime 设置为最大值，然后跳出 for 循环。
代码清单 9-6（5）：延时列表不为空，则需要将延时列表中延时到期的任务删除，并将它们添加到就绪列表。
代码清单 9-6（6）：取出延时列表第一个节点的排序辅助值。
代码清单 9-6（7）：直到将延时列表中所有延时到期的任务移除才跳出 for 循环。延时列表中有可能存在多个延时相等的任务。
代码清单 9-6（8）：将任务从延时列表中移除，解除等待状态。
代码清单 9-6（9）：将解除等待的任务添加到就绪列表。
代码清单 9-6（10）：执行一次任务切换。
3.3 修改 taskRESET_READY_PRIORITY() 函数
在没有添加任务延时列表之前，与任务相关的列表只有一个，就是就绪列表，无论任务处于延时状态还是就绪状态，都只能通过扫描就绪列表来找到任务的 TCB，从而实现系统调度。所以在第 8 章中实现 taskRESET_READY_PRIORITY() 函数时，不用先判断当前优先级下就绪列表中的链表的节点是否为 0，而是直接把任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位清零。因为当前优先级下就绪列表中的链表的节点不可能为 0，目前我们还没有添加其他列表来存放任务的 TCB，只有一个就绪列表。
但是从本章开始，我们额外添加了延时列表，当任务要延时时，将任务从就绪列表移除，然后添加到延时列表，同时将任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位清除。当清除任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位时，与之前不同的是需要判断就绪列表 pxReadyTasksLists\[\] 在当前优先级下对应的链表的节点是否为 0，只有当该链表下没有任务时，才真正地将任务在优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位清零。
taskRESET_READY_PRIORITY() 函数的具体修改如下。
taskRESET_READY_PRIORITY() 函数
c
1 #if 1 /* 本章的实现方法 */
2 #define taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority ) \
3 { \
4 if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ ( uxPriority ) ] ) ) == ( UBaseType_t ) 0 ) \
5 { \
6 portRESET_READY_PRIORITY( ( uxPriority ), ( uxTopReadyPriority ) ); \
7 } \
8 }
9 #else/* 之前的实现方法 */
10 #define taskRESET_READY_PRIORITY( uxPriority ) \
11 { \
12 portRESET_READY_PRIORITY( ( uxPriority ), ( uxTopReadyPriority ) ); \
13 }
14 #endifmain函数无改动
四、易错点
1.FreeRTOS 的任务延时列表并非简单的"按时间排队"，双延时链表的存在是为了让溢出判断在插入时刻一次性完成，而不是在每一次 Tick 中断中做全表扫描。
2.xNextTaskUnblockTime更新：
-
插入新延时任务时：如果 xTimeToWake < xNextTaskUnblockTime，则更新。
-
唤醒到期任务后：通常从链表头部取新的最早唤醒时间；如果链表为空，则设为 portMAX_DELAY。
-
链表切换时：taskSWITCH_DELAYED_LISTS 中调用 prvResetNextTaskUnblockTime() 重新取值。