RTOS基础

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基础

  • FreeRTOS使用systick作为调度时钟，所以不要设置systick的重装值，阻塞delay需要用TIM来计时

  • 变量/函数/宏名的特点

  • 前缀+变量名：p表示指针，x表示BaseType_t，pr表示static

  • 前缀+文件+函数名：p表示指针，x表示BaseType_t，pr表示static

  • 文件+宏名

内存管理

  • 不使用系统堆的malloc/free的原因：线程不安全、堆资源紧缺、内存碎片化等

  • 所以使用ucHeap堆的pvPortMalloc/pvPortFree：是全局静态数组，即存在于bss段

  • ucHeap文件特点

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  • ucHeap4相关函数
  • pvPortMalloc、pvPortFree：分配/回收堆
  • xPortGetFreeHeapSize：获取当前的堆空闲大小
  • xPortGetMinimumEverFreeHeapSize：获取运行过程中，堆空闲容量达到过的最小值
    • 可以用于推测分配给堆的大小是否合理
  • vApplicaionMallocFailedHook：分配堆失败时执行的hook函数
    • 需要将configUSE_MALLOC_FAILED_HOOK宏置1
  • FreeRTOS中，常常将ucHeap堆看成一个==RTOS模拟内存==，然后在这个模拟内存上进行任务的堆和栈的分配
  • 系统内存=系统堆+系统栈+bss+data+其他区域
  • bss=ucHeap模拟内存+其他区域
  • ucHeap模拟内存=任务堆+任务栈

任务管理

  • 任务约等于线程：共享任务堆、私有任务栈，cpu调度的最小单位
  • 任务定义：任务用函数实现（多对1），不能返回
  • 任务句柄=线程控制块TCB
  • 注意任务优先级和中断优先级的定义

任务创建/删除

  • 创建使用xTaskCreate(任务函数, 任务名, 栈深度, 任务函数的传参, 优先级, TCBHandler)：在ucHeap中分配任务私有栈
  • TCBHandler：表示任务状态，若为NULL，表示任务不存在；一般先判断TCBHandler==NULL再创建任务。
  • 创建使用xTaskCreateStatic()：在用户提供的buffer中分配任务私有栈
  • 删除使用vTaskDelete(TCBHandler)
  • 删除其他任务时，先判断TCBHandler!=NULL，再删除，最后置TCBHandler为NULL
  • 删除自己时任务名填NULL

任务阻塞/挂起/恢复

  • 阻塞（睡眠）：vTaskDelay()/vTaskDelayUntil()，进入阻塞态
  • 资源获取后，自动切换到就绪态
  • vTaskDelayUntil()可以结合xTaskGetTickCount()使用
  • 区别忙等：mdelay
  • 任务挂起与恢复：vTaskSuspend()，进入挂起态
  • 资源获取后，执行vTaskResume()/xTaskResumeFromISR()才会回到就绪态
  • 在中断中恢复任务必须使用xTaskResumeFromISR()
  • 调度器挂起与恢复：vTaskSuspendAll()，调度器挂起
  • 调度器挂起后，不会进行线程切换，而不是将所有线程挂起
  • 必须在本线程中执行xTaskResumeAll()来恢复

任务状态转换

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  • 注意：当block任务被suspend+resume之后，会将延时计数器清零，然后立即进入ready，而不是回到block
  • 与状态相关的函数
  • 启动/暂停调度：vTaskStartScheduler()/vTaskEndScheduler()
  • 获取/设置任务优先级：uxTaskPriorityGet()/vTaskPrioritySet()
  • 获取tick数：xTaskGetTickCount()、vTaskGetIdleRunTimeCounter()
  • 获取任务详细信息：
    • pcTaskGetName()
    • eTaskGetState()
    • vTaskGetInfo()
    • uxTaskGetStackHighWaterMark()
    • xTaskGetCurrentTaskHandle()、xTaskGetHandle()
  • 获取所有任务的详细信息：
    • uxTaskGetSystemState()
    • vTaskList()
    • vTaskGetRunTimeStats()
  • 除了图中的函数，还可以直接修改就绪/阻塞/挂起队列来更改线程状态

估算任务T的栈深度

  • 计算任务中最深的函数调用有K层，每次函数调用中需要保存CalleeSavedReg（8*32b=32B）
  • 任务切换时需要保存任务上下文，即保存全部的寄存器（16*32b=64B）
  • 则栈深度 = K*调用时保存的寄存器（32B） + 局部变量 + 上下文切换时保存的寄存器（64B）

任务私有存储TLS

  • 每个任务（线程）共用进程的资源，但是也有自己的私有存储，叫TLS
  • 使用TLS：configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS宏、vTaskSetThreadLocalStoragePointer()

RTOS调度算法

  • 时间片轮转调度+优先级调度（可配置）
  • 不同优先级之间，使用优先级调度==优先级越大越优先==
  • 同优先级之间，使用时间片轮转调度
  • 公平：假设现在有T1-T3在ready态（假设T2是ready队首，下一个是T3），如果T2时间片内被切换为高优先级T4，则返回时不会继续执行T2，而是为了公平，执行T3
  • 任务函数不能返回：当线程创建时，os会在线程私有栈中保存LR的值（指向prvTaskExitError函数）。所以任务函数一旦返回，就会拿出LR的值并跳转到prvTaskExitError中。
  • 所以线程函数正常不应该返回，必须运行一个死循环，只有删除线程后才可以返回。
  • prvTaskExitError中包含一个死循环，并且关闭了所有中断，因此线程返回时一定会在这里卡死。
  • 因此线程函数的最后一句，可以写vTaskDelete(NULL)，防止线程异常时系统死机。
  • 优先级反转
  • 优先级50准备访问共享资源A，但资源A正在被优先级40访问，所以50需要等待40释放资源A。
  • 但此时优先级46需要执行其他任务，其高于优先级40，因此中断了优先级40的释放过程。
  • 此时：中级正在运行，低级被中级阻塞（无法释放锁），高级正在等待低级释放锁。
  • 优先级反转的解决方法
  • 优先级继承：占用资源的低优先级进程，和正在申请该资源的进程的最高优先级相同。
  • 优先级天花板：占用资源进程的优先级，和所有可以申请该资源的进程的最高优先级相同。

空闲任务（IDLE）

  • 在调度器启动时被创建，当没有任务执行时立即执行IDLE（及时性）
  • 第一步是==清理自杀的任务==（如果是A杀B，那么由A来清理B）
  • 如果多个任务反复创建-自杀，且部分任务使用mdelay（不释放cpu）
  • 这会导致IDLE没有机会抢占cpu来清理任务，导致内存堆积，进而造成内存不足
  • 注意：其他函数尽量使用vTaskDelay，给IDLE提供使用cpu的机会。
  • 第二步是==执行空闲Hook==，作用是：计算cpu占用率、实现rtos低功耗等
  • 使用configUSE_IDLE_HOOK宏、vApplicationIdleHook()来实现空闲Hook
  • 注意：空闲Hook不能进入阻塞/挂起态、长时间执行。

任务函数的基本格式

#include STM相关
#include RTOS相关
#include C库相关

void myTask(void* args){
    //task inner init
    while(1){
        // task details
        vTaskDelay(100); // 防止循环占用cpu
    }
    xTaskDelete(NULL); // 防止不正常退出循环时跳转到ERROR函数
}

中断管理

  • STM32的中断机制（硬件排队器）：抢占优先级、次优先级==优先级越小越优先==
  • 配置NVIC，__disable_irq()/__enable_irq()
  • FreeRTOS的中断机制（软件屏蔽）：BASEPRI寄存器的高四位来屏蔽
  • vPortRaiseBASEPRI()/vPortSetBASEPRI()
  • portENABLE_INTERUPTS()/portDISABLE_INTERUPTS()
  • taskENTER_CRITICAL()/taskEXIT_CRITICAL()/taskENTER_CRITICAL_FROM_ISR()/taskEXIT_CRITICAL_FROM_ISR()
    • 只能对屏蔽范围内的中断构成临界区
    • 通过一个全局变量来记录临界区进入加1/退出减1的计数，只有为0才能再次进入
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