FreeRTOS程式碼分析 -- 1

此篇心得參考 FreeRTOS_cn.pdf 與 FreeRTOS原始程式整理而成。

資料結構

1.State Machine

FreeRTOS中，每個任務(task)的狀態機有四種狀態，Suspended -> Ready -> Running -> IDLE，其實作方式將任務依據其狀態，分別放置於不同的queue內 PRIVILEGED_DATA static xList pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];  /*< Prioritised ready tasks. */
 PRIVILEGED_DATA static xList xDelayedTaskList1;        /*< Delayed tasks. */ PRIVILEGED_DATA static xList xDelayedTaskList2;        /*< Delayed tasks (two lists are used - one for delays that have overflowed the current tick count. */ PRIVILEGED_DATA static xList * volatile pxDelayedTaskList ;     /*< Points to the delayed task list currently being used. */ PRIVILEGED_DATA static xList * volatile pxOverflowDelayedTaskList;   /*< Points to the delayed task list currently being used to hold tasks that have overflowed the current tick count. */ PRIVILEGED_DATA static xList xPendingReadyList;        /*< Tasks that have been readied while the scheduler was suspended.  They will be moved to the ready queue when the scheduler is resumed. */Suspended(block) state：將任務加入pxDelayedTaskList

註：但是在實作中，對於負責工作排程的Task，只會回應三種狀態值（參考xTaskGetSchedulerState()）#define taskSCHEDULER_NOT_STARTED 0#define taskSCHEDULER_RUNNING  1#define taskSCHEDULER_SUSPENDED 2

2. Task Control Block

每個任務都會有一個對應的TCB，用來儲存與任務有關的資訊，例如:任務名稱，執行優先級，在ready/blocked queue中的對應位置。

3. Queue Management

1. 一個任務可以創建/刪除Queue，並進行Queue的讀寫。
2. 當多個 Task 需要同時存取 queue 的資料時，Priority高的會先完成，若Priority相同，則等待最久的會先完成。
3. 預設的 FreeRTOS QueueCreate 會使用 pvPortMalloc。若要減少FreeRTOS程式碼大小，可以改寫malloc，讓程式碼不需要使用記憶體配置，   將所有用到pvPortMalloc 改成直接傳入固定的 buffer。

運行的基本規則

1.工作排程

1. Scheduler 中 context switch 的作法

1. 參考TaskYield()，此函數會產生PendSV中斷，對應的中斷處理程序則是xPortPendSVHandler()
2.  xPortPendSVHandler(): 儲存 Stack Pointer(psp) 與 current TCB。
3. xPortPendSVHandler(): 呼叫 vTaskSwitchContext()，找出 ready queue 內 highest priority item當成欲執行的Task。
4. xPortPendSVHandler(): 將要執行的 Task 放至 pxCurrentTCB。
5. xPortPendSVHandler(): 此時 pxCurrentTCB 已經指向下一個要執行的 Task。
6. "bx r14" 離開 xPortPendSVHandler()。

2. 當 FreeRTOS 要進行scheduling時。其作法參考 vTaskStartScheduler()

1.  建立一個任務，此任務名稱為 prvIdleTask，此Task具有最低的優先級別 (priority=0)，因此不會妨礙其他高優先級的任務。一般可以在Idle Task加上以下功能：將CPU設定為低功耗模式，進入省電模式。根據Idel task獲得執行的時間，來判斷系統是否忙碌。
2. prvSetupTimerInterrupt()，設定 SysTick Interrupt 產生的時間為 ( configCPU_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL，並啟動timer。
3. 產生 SVC 中斷以運行開機後的第一個Task，即IdleTask。
4. 之後，每次當timer expired發生 SysTick interrupt，便會呼叫xPortSysTickHandler()，強制產生PendSV中斷，進行 context switch，進行上述 2.c~2.g 的工作，並且累加xTickCount。

2.FreeRTOS的Delay()

1.     vTaskDelay()： 

設定任務從調用TaskDelay()開始，到離開suspended狀態(進入ReadyState)，共需要多少的時間心跳週期，xTimeToWake = xTickCount(此時系統的時間) + xTicksToDelay

2.     vTaskDelayUntil()：  

設定任務從上一次離開suspended狀態，到此次離開suspended狀態(進入ReadyState)，共需要多少的心跳週期，xTmeToWake = *pxPreviousWakeTime(上一次離開suspended狀態的時間) + xTimeIncrement

3.     此兩個函數主要差異點在於Delay時間的計算，若是需要一個固定執行週期，使用 vTaskDelayUntil() 可以獲得較準確的延遲時間。

參考資料

1.     FreeRTOS中文說明

2.     FreeRTOS程式碼