嵌入式学习笔记 - freeRTOS任务优先级抢占，时间片抢占的实现机制

一 任务优先级、时间片抢占

已经知道freeRTOS的任务切换函数发生在systick中断中，如下图

由上图可见，任务切换有个先决条件TaskIncrementTick（）函数返回为1，这个函数如下图，

函数返回值为xSwitchRequired，有两处赋值的地方

第① 处：总体有两个条件，一个是延时列表有任务到期，一个是到期任务优先级>=当前任务优先级，分别是划红线的语句526行以及568行，然后就使能切换任务，感觉这个自然是正常逻辑。

其中等于的情况也包含了：想象下系统只有一个优先级有两个任务的情况，如果任务中没有主动切换释放CPU的话，如果这里再不切换的话就会一直执行一个任务，配合任务切换函数用的是listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY，总是指向下一个节点任务，既使不使能时间片抢占，同优先级的另一个任务到期也可以依次切换执行，这里其实不是时间片抢占，只是同优先级任务到期抢占。

如果是大于的情况：那么使用listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY也是指向当前到期的任务，因为taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK（）函数实现里关于listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY（）的函数实现里( pxConstList )->pxIndex总是指向end节点之前，而时间到期插入就绪任务时使用的是insertEnd();总是插入最后一个节点，即便前面还有一个节点也不会错过这个节点，这就是高优先级抢占。

小于的情况：如果是小于的情况不切换，既使到期，一直要等到高优先级的任务释放CPU

第②处：第583行至第586行就是判断是否执行实现时间片抢占的部分，第580行是个宏定义在配置文件中，

第583行是判断条件，如果当先优先级链表里面有多于一个任务在运行，使能任务切换，实现时间片抢占，既使延时列表里面没有任务到期，这其实就是时间片抢占。

二 任务切换执行

下图是任务切换taskYIELD();的最终实现，依次调用：

最后一个函数第120行就实现了将想要切换的任务的任务控制块指针赋值给pxCurrentTCB.

pendSV 最终根据pxCurrentTCB 第一项指示的栈顶地址，将任务栈的内容更改到msp的指针以及PC的指针以及其他寄存器实现任务切换。

前面所有的准备，不管是任务从就绪列表删除加入延时列表，
或者是systick中断轮询到任务时间到期将任务从延时列表删除加入就绪列表，
都是为了在此处体现，此处是pendSV汇编代码切换上下文的最终执行之处，
只能有一个任务被切换到pxCurrentTCB，也只能在这被切换到pxCurrentTCB。

三 调试实例

通过以上理论分析，来调试一个调试freeRTOS系统中遇到的问题：

系统共有三个任务：

任务1优先级为1，任务2优先级为2，任务3为空闲任务优先级为0，

任务1中没有使用vTaskDelay(  )函数释放CPU的语句

任务2中使用了vTaskDelay(  )函数释放CPU，

按照道理任务1任务2应该可以有序的执行，但是通过单步运行以及仿真发现实际任务2一次也未得到执行，尽管任务2已经加入到就绪列表如下图，由本文第二节内容分析推断也就是从未进行过任务切换，不然pendSV中断中的vTaskSwitchContext（）/taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();函数肯定会选择任务2至少执行一次，因为任务2优先级最高。

我们由第一节的内容分析知道：

切换任务的地方一个是任务通过vTaskDelay(  )主动切换，如下，而任务一没有使用这个函数，是我们的本意，

一个是systick中条件达到时进行任务的切换，如下

这个切换的执行条件如下，第二个条件不可能因为一个优先级只有一个任务，那么只有第一个条件是允许的，而xNextTaskUnblockTime赋值的地方只有任务二中有延时释放，所以这个条件才不能满足，这就是任务二不能执行的原因了，

为什么任务二没有对xNextTaskUnblockTime赋值呢，任务二的优先级最高，至少创建任务的时候汇之星一次对其赋值，然后我们单步调试发现，在创建空闲任务的时候，也就是在三个任务初始话的最后多了一个错误语句  pxCurrentTCB = &Task1TCB;   既使任务二创建的时候已将pxCurrentTCB 赋值为任务2，pxCurrentTCB = &Task2TCB;所以任务二一开始就没有得到执行，xNextTaskUnblockTime也从未得到赋值，任务二也从未有机会运行，注释掉此语句后一切正常。

从此次调试也可以得到一个结论：

系统必须从高优先进入，否则高优先级得不到赋值xNextTaskUnblockTime的机会，
有可能得不到运行（xNextTaskUnblockTime是systick激活切换任务的条件,
如果低优先级任务中又没有释放/切换任务的语句的话，高优先级任务就有可能得不到执行）

题外话，关于主动释放CPU使用权：

同样可得知如果高优先级的任务没有使用vTaskDelay(  )里的 taskYIELD();主动释放CPU（切换任务）的话，既使低优先级任务延时到期，systick中断里面的条件也不会满足，因为当前任务一直是高优先级，低优先级的任务也永远得不到执行。

如果高优先级使用了vTaskDelay(  )里的 taskYIELD();主动释放CPU（切换任务）的话，既使低优先级没有就绪，会切换到空闲任务，然后低优先级任务就绪后，systick的判断才会满足（当前优先级大于pxCurrentTCB->uxPriority的优先级）的条件，才会进行任务切换。

如下图就是释放CPU的代码：

第509行将相应的优先级位去除，编译pendSV查找到低优先级的任务，

第512行pendSV执行切换将找到的低优先级任务切换到pxCurrentTCB。