FreeRTOS专题六:支持多优先级

在 FreeRTOS 中,数字优先级越小,逻辑优先级也越小,这与RT-Thread 和 μC/OS刚好相反。

就绪列表 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]是一个数组,数组里面存的是就绪任务的 TCB(准确来说是 TCB 里面的 xStateListItem 节点),数组的下标对应任务的优先级,优先级越低对应的数组下标越小。空闲任务的优先级最低,对应的是下标为 0 的链表。空闲任务自系统启动后会一直就绪,因为系统至少得保证有一个任务可以运行。任务在创建的时候,会根据任务的优先级将任务插入到就绪列表不同的位置,相同优先级的任务插入到就绪列表里面的同一条链表中。

查找最高优先级就绪任务

pxCurrenTCB 是一个全局的 TCB 指针,用于指向优先级最高的就绪任务的 TCB,即当前正在运行的 TCB。那么我们要想让任务支持优先级,即只要解决在任务切换(taskYIELD)的时候,让 pxCurrenTCB 指向最高优先级的就绪任务的 TCB 就可以。那问题的关键就是:如果找到最高优先级的就绪任务的 TCB。FreeRTOS 提供了两套方法,一套是通用的,一套是根据特定的处理器优化过的,接下来我们重点讲解下这两个方法。

1 通用的方法:

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()															\
	{																									\
	UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;														\
																										\
		/* 寻找包含就绪任务的最高优先级的队列 */                                                          \
		while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) )							\
		{																								\
			--uxTopPriority;																			\
		}																								\
																										\
		/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB,然后更新到pxCurrentTCB */							            \
		listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );			\
		/* 更新uxTopReadyPriority */                                                                    \
		uxTopReadyPriority = uxTopPriority;																\
	} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */

这个逻辑很清晰,就是优先级编号不断的递减,一直找直到找到一个不为空的列表,这就是当前就绪列表的最高优先级。然后把最高优先级的任务控制块更新到当前任务控制块pxCurrentTCB,并更新uxTopReadyPriority。

2 优化方法(用内核中的自带指令来操作):

FreeRTOS专题六:支持多优先级

利用这条指令,一步就可以得到最高优先级。

修改代码,支持多优先级

1 修改任务控制块,增加与优先级相关的成员:

typedef struct tskTaskControlBlock
{
	volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 栈顶 */

	ListItem_t			    xStateListItem;   /* 任务节点 */
    
    StackType_t             *pxStack;         /* 任务栈起始地址 */
	                                          /* 任务名称,字符串形式 */
	char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];

    TickType_t xTicksToDelay;
    UBaseType_t			uxPriority;    	/* 优先级 */
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

2 修改创建任务的xTaskCreateStatic()函数,要增加一个传入参数优先级,数值越大,优先级越高。

TaskHandle_t xTaskCreateStatic(	TaskFunction_t pxTaskCode,           /* 任务入口 */
		const char * const pcName,           /* 任务名称,字符串形式 */
		const uint32_t ulStackDepth,         /* 任务栈大小,单位为字 */
		void * const pvParameters,           /* 任务形参 */
		// 新增加的优先级成员
        UBaseType_t uxPriority,              /* 任务优先级,数值越大,优先级越高 */
		StackType_t * const puxStackBuffer,  /* 任务栈起始地址 */
		TCB_t * const pxTaskBuffer )         /* 任务控制块 */
{
	TCB_t *pxNewTCB;
	TaskHandle_t xReturn;

	if( ( pxTaskBuffer != NULL ) && ( puxStackBuffer != NULL ) )
	{		
		pxNewTCB = ( TCB_t * ) pxTaskBuffer; 
		pxNewTCB->pxStack = ( StackType_t * ) puxStackBuffer;

		/* 创建新的任务 */
prvInitialiseNewTask( pxTaskCode, pcName, ulStackDepth, pvParameters,uxPriority, &xReturn, pxNewTCB);
        
		/* 将任务添加到就绪列表 */
		prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB );

	}
	else
	{
		xReturn = NULL;
	}

	return xReturn;
}

3 修改初始化一个新任务的prvInitialiseNewTask()函数  

截取的部分代码(增加了初始化优先级):

/* 任务名字的长度不能超过configMAX_TASK_NAME_LEN */
	pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';
    
    /* 初始化TCB中的xStateListItem节点 */
    vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );
    /* 设置xStateListItem节点的拥有者 */
	listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );
	
    /* 初始化优先级 */
	if( uxPriority >= ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES )
	{
		uxPriority = ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( UBaseType_t ) 1U;
	}
	pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
    
	/* 初始化任务栈 */
	pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters ); 

4 新增把任务添加到就绪列表的prvAddNewTaskToReadyList()函数

static void prvAddNewTaskToReadyList( TCB_t *pxNewTCB )
{
	/* 进入临界段 */
	taskENTER_CRITICAL();
	{
		/* 全局任务计时器加一操作 */
        uxCurrentNumberOfTasks++;
        
        /* 如果pxCurrentTCB为空,则将pxCurrentTCB指向新创建的任务 */
		if( pxCurrentTCB == NULL )
		{
			pxCurrentTCB = pxNewTCB;

			/* 如果是第一次创建任务,则需要初始化任务相关的列表 */
            if( uxCurrentNumberOfTasks == ( UBaseType_t ) 1 )
			{
				/* 初始化任务相关的列表 */
                prvInitialiseTaskLists();
			}
		}
		else /* 如果pxCurrentTCB不为空,则根据任务的优先级将pxCurrentTCB指向最高优先级任务的TCB */
		{
				if( pxCurrentTCB->uxPriority <= pxNewTCB->uxPriority )
				{
					pxCurrentTCB = pxNewTCB;
				}
		}
		uxTaskNumber++;
        
		/* 将任务添加到就绪列表 */
        prvAddTaskToReadyList( pxNewTCB );

	}
	/* 退出临界段 */
	taskEXIT_CRITICAL();
}

之前,我们是先创建任务,再手动将任务插入到就绪列表,需要两个语句。

现在就不需要了,在创建任务时,会根据优先级自动插入到就绪列表。

 

5 修改开始任务调度器的函数 vTaskStartScheduler()

截取的部分代码,新增了空闲任务的优先级(定义为0),然后删除了添加任务到就绪列表的语句(因为新的创建任务函数,会自动的根据优先级插入到就绪列表),删除了手动指定第一个运行任务的语句,因为现在回自动获取最高优先级的任务去执行。

xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( (TaskFunction_t)prvIdleTask,              /* 任务入口 */
		(char *)"IDLE",                           /* 任务名称,字符串形式 */
		(uint32_t)ulIdleTaskStackSize ,           /* 任务栈大小,单位为字 */
		(void *) NULL,                            /* 任务形参 */
        (UBaseType_t) tskIDLE_PRIORITY,           /* 任务优先级,数值越大,优先级越高 */
		(StackType_t *)pxIdleTaskStackBuffer,     /* 任务栈起始地址 */
		(TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer );           /* 任务控制块 */
    /* 将任务添加到就绪列表 */                                 
    //vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[0] ), &( ((TCB_t *)pxIdleTaskTCBBuffer)->xStateListItem ) );
/*======================================创建空闲任务end================================================*/
                                         
    /* 手动指定第一个运行的任务 */
    //pxCurrentTCB = &Task1TCB;
    
    /* 启动调度器 */
    if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
    {
        /* 调度器启动成功,则不会返回,即不会来到这里 */
    }

6 修改vTaskDelay()函数

根据优先级将优先级位图表 uxTopReadyPriority 中对应的位清零,由函数 taskRESET_READY_PRIORITY()来实现。这样,在扫描最高优先级时,就可以避免扫描到这个函数。

void vTaskDelay( const TickType_t xTicksToDelay )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    
    /* 获取当前任务的TCB */
    pxTCB = pxCurrentTCB;
    
    /* 设置延时时间 */
    pxTCB->xTicksToDelay = xTicksToDelay;
    
    /* 把优先级对应的位清零 */
    taskRESET_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
    
    /* 任务切换 */
    taskYIELD();
}

7 修改任务切换的函数  vTaskSwitchContext()函数

不再实行手动切换,而是寻找最高优先级的任务去执行。

/* 任务切换,即寻找优先级最高的就绪任务 */
void vTaskSwitchContext( void )
{
	/* 获取优先级最高的就绪任务的TCB,然后更新到pxCurrentTCB */
    taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();
}

8 修改更新系统时基的函数(增加了当任务延时时间到,将任务就绪的代码):

void xTaskIncrementTick( void )
{
    TCB_t *pxTCB = NULL;
    BaseType_t i = 0;
    
    const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;
    xTickCount = xConstTickCount;

    
    /* 扫描就绪列表中所有线程的remaining_tick,如果不为0,则减1 */
	for(i=0; i<configMAX_PRIORITIES; i++)
	{
        pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( ( &pxReadyTasksLists[i] ) );
		if(pxTCB->xTicksToDelay > 0)
		{
			pxTCB->xTicksToDelay --;
            
            /* 延时时间到,将任务就绪 */
            if( pxTCB->xTicksToDelay ==0 )
            {
                taskRECORD_READY_PRIORITY( pxTCB->uxPriority );
            }
		}
	}
    
    /* 任务切换 */
    portYIELD();
}

 

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