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freertos学习笔记

🕗 发布于 2025-01-15 22:17 单片机  arm  c语言  linux  

文章目录

0.前言

  • 源文件路径: https://github.com/wdfk-prog/freertos_study

0.1 变量及函数命名规范

  • 变量名
    • ‘c’ for char
    • ‘s’ for int16_t(short)
    • ‘l’ for int32_t (long)
    • ‘x’ for BaseType_t and any other non-standard types (structures, task handles, queue handles, etc.).
    • If a variable is unsigned, it is also prefixed with a ‘u’.
    • If a variable is a pointer, it is also prefixed with a ‘p’.

For example, a variable of type uint8_t will be prefixed with ‘uc’, and a variable of type pointer to char (char *) will be prefixed with ‘pc’.

  • 函数名

    • 函数的前缀是它们返回的类型和定义它们的文件

    • vTaskPrioritySet() 返回值是 void 存在与 tasks.c.

    • xQueueReceive() 返回值是变量 of type BaseType_t 存在与 queue.c.

    • pvTimerGetTimerID() 返回值是void指针存在与 timers.c.

    • 文件作用域(私有)函数以prv.

  • 宏定义

大多数宏都是用大写字母写成的，并以小写字母作为前缀，表示宏的定义位置。表3提供了一个前缀列表。

PrefixLocation of macro definition
port (for example, portMAX_DELAY)portable.h or portmacro.h
task (for example, taskENTER_CRITICAL())task.h
pd (for example, pdTRUE)projdefs.h
config (for example, configUSE_PREEMPTION)FreeRTOSConfig.h
err (for example, errQUEUE_FULL)projdefs.h

Table 3 Macro prefixes

请注意，信号量API几乎完全是作为一组宏编写的，但遵循函数命名约定，而不是宏命名约定。

0.2 宏编写函数和内联函数的区别

/* STATIC FUNCTIONS ARE DEFINED AS MACROS TO MINIMIZE THE FUNCTION CALL DEPTH. */
#define prvInsertBlockIntoFreeList( pxBlockToInsert )
{

}
/*-----------------------------------------------------------*/
  1. 编译器决定：内联函数是否真正内联展开最终由编译器决定，因此不能保证一定会内联展开。
  2. 所以使用宏编写函数，可以保证一定会内联展开。

0.3 mtCOVERAGE_TEST_MARKER跟踪宏的作用

默认情况下，跟踪宏为空，因此跟踪宏不会生成任何代码。因此，使用虚拟宏定义执行 MISRA 合规性检查。

0.4 计算机安全领域中的Canary

canary值是在栈中插入的随机值，然后在执行函数之前检查该值是否被修改。如果值被修改，就表明栈可能遭到缓冲区溢出攻击。这种机制有助于保护计算机系统免受恶意代码的攻击。它是一种安全机制，用于防止缓冲区溢出攻击。

0.5 taskENTER_CRITICAL 和 vTaskSuspendAll

  • vTaskSuspendAll

将uxSchedulerSuspended+1, 在上下文切换时, 任务调度器会检查uxSchedulerSuspended是否为0, 如果不为0, 则不会进行任务调度.

  • taskENTER_CRITICAL 执行中断屏蔽操作

1.内存管理

heap_1 —— 最简单，不允许释放内存。

heap_2—— 允许释放内存，但不会合并相邻的空闲块。

heap_3 —— 简单包装了标准 malloc() 和 free()，以保证线程安全。

heap_4 —— 合并相邻的空闲块以避免碎片化。 包含绝对地址放置选项。

heap_5 —— 如同 heap_4，能够跨越多个不相邻内存区域的堆。

注意：
heap_1 不太有用，因为 FreeRTOS 添加了静态分配支持。heap_2 现在被视为旧版，因为较新的 heap_4 实现是首选。

1.1 HEAP_1

Heap_1.c 实现了基础版本的 pvPortMalloc(), 没有实现 vPortFree(). 从不删除任务或其他内核对象的应用程序可能会使用 heap_1. 关键系统通常会禁止动态内存分配，因为存在与非确定性、内存碎片和分配失败相关的不确定性。Heap_1 始终是确定性的，不会产生内存碎片。

Heap_1 的 pvPortMalloc() 实现只是在每次调用时将一个简单的 uint8_t 数组（称为 FreeRTOS 堆）细分为更小的块。FreeRTOSConfig.h 常量 configTOTAL_HEAP_SIZE 设置数组的大小（以字节为单位）。将堆实现为静态分配的数组会使 FreeRTOS 看起来消耗大量 RAM，因为堆成为 FreeRTOS 数据的一部分。

每个动态分配的任务都会调用两次 pvPortMalloc()。第一次分配任务控制块 (TCB)，第二次分配任务堆栈.

1.2 HEAP_2

Heap_2 被 heap_4 取代，后者包含增强的功能。Heap_2 保留在 FreeRTOS 发行版中以实现向后兼容，不建议用于新设计。

最佳匹配算法可确保 pvPortMalloc() 使用大小最接近请求的字节数的空闲内存块。例如，考虑以下场景：堆包含三个空闲内存块，分别为 5 字节、25 字节和 100 字节。 pvPortMalloc() 请求 20 字节 RAM。 可容纳请求的字节数的最小空闲 RAM 块是 25 字节块，因此 pvPortMalloc() 将 25 字节块拆分为一个 20 字节块和一个 5 字节块，然后返回指向 20 字节块的指针。新的 5 字节块仍可用于将来对 pvPortMalloc() 的调用。 与 heap_4 不同，heap_2 不会将相邻的空闲块合并为一个更大的块，因此它比 heap_4 更容易出现碎片。但是，如果分配和随后释放的块始终大小相同，则碎片不是问题.

1.3 HEAP_3

Heap_3.c 使用标准库 malloc() 和 free() 函数，因此链接器配置定义堆大小，并且不使用 configTOTAL_HEAP_SIZE 常量。 Heap_3 通过在 malloc() 和 free() 执行期间暂时挂起 FreeRTOS 调度程序，使它们线程安全。

1.4 HEAP_4

  • configENABLE_HEAP_PROTECTOR

configENABLE_HEAP_PROTECTOR 设置为 1 以启用混淆堆中的内部堆块指针,防止恶意软件通过修改堆块指针来破坏堆管理器的内部数据结构。这是一种安全功能，用于防止堆管理器被恶意软件破坏。

1.5 HEAP_5

Heap_5 使用与 heap_4 相同的分配算法。与 heap_4 不同，heap_4 只能从单个数组分配内存，而 heap_5 可以将来自多个独立内存空间的内存组合成一个堆。当运行 FreeRTOS 的系统提供的 RAM 在系统的内存映射中不是单个连续（无空间）的块时，Heap_5 非常有用。

2.任务管理

  • 任务不能直接删除自己，因为任务删除自己会导致任务调度器的数据结构被破坏。任务可以调用 vTaskDelete(NULL) 以删除自己。如果任务使用 vTaskDelete() API 函数删除自身，则空闲任务必须有足够的处理时间。这是因为空闲任务负责清理删除自身的任务所使用的内核资源。

  • 每个任务需要两个 RAM 块：一个用于保存其任务控制块 (TCB)，另一个用于存储其堆栈。

  • 一些 FreeRTOS 移植支持在“受限”或“非特权”模式下运行的任务。名称中带有“Restricted”的 FreeRTOS API 函数会创建在执行时对系统内存具有有限访问权限的任务。名称中不带“Restricted”的 API 函数会创建在“特权模式”下执行并可以访问系统整个内存映射的任务。

  • 支持对称多处理 (SMP) 的 FreeRTOS 移植允许不同的任务在同一 CPU 的多个核心上同时运行。对于这些移植，您可以使用名称中带有“Affinity”的函数来指定任务将在哪个核心上运行

  • 注意，该值指定堆栈可以容纳的字数，而不是字节数。例如，如果堆栈宽度为 32 位且 usStackDepth 为 128，则 xTaskCreate() 分配 512 字节的堆栈空间（128 * 4 字节）

  • 0 为最低优先级，(configMAX_PRIORITIES - 1) 为最高优先级。

  • configUSE_PORT_optimized_TASK_SELECTION = 1,设置为 1 以使用架构优化实现。架构优化的实现是用架构特定的汇编代码编写的，比通用的 c 实现性能更高，并且所有 configMAX_PRIORITIES 值的最坏情况执行时间都是相同的。

查看M3内核的优化实现，仅针对位图查找做了内核架构优化,优化了查找速度.

2.1 任务创建

  1. 将任务栈初始化;并且将栈顶指针指向的位置初始化为任务入口函数的地址.
//GCC M3
StackType_t * pxPortInitialiseStack( StackType_t * pxTopOfStack,
                                     TaskFunction_t pxCode,
                                     void * pvParameters )
{
    /* Simulate the stack frame as it would be created by a context switch
     * interrupt. */
    pxTopOfStack--;                                                      /* Offset added to account for the way the MCU uses the stack on entry/exit of interrupts. */
    *pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR;                                    /* xPSR */
    pxTopOfStack--;
    *pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK; /* PC */
    pxTopOfStack--;
    *pxTopOfStack = ( StackType_t ) portTASK_RETURN_ADDRESS;             /* LR */
    pxTopOfStack -= 5;                                                   /* R12, R3, R2 and R1. */
    *pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters;                        /* R0 */
    pxTopOfStack -= 8;                                                   /* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */

    return pxTopOfStack;
}
  • 其中LR退出时,跳转到prvTaskExitError,里面执行空循环
static void prvTaskExitError( void )
{
    volatile uint32_t ulDummy = 0UL;
    configASSERT( uxCriticalNesting == ~0UL );
    portDISABLE_INTERRUPTS();

    while( ulDummy == 0 )
    {
    }
}

  1. 创建所需的链表:xDelayedTaskList1,xDelayedTaskList2,xPendingReadyList,xTasksWaitingTermination,xSuspendedTaskList.

  2. 将pxTCB代表的任务放入适当的就绪列表中任务。它被插入到列表的末尾。

  • 将uxTopReadyPriority每个bit代表一个优先级,进行置位,快速查找最高优先级任务.

2.2 任务删除

  1. 从就绪或延迟列表中删除任务

  2. 任务删除时,没有正在等待的事件,则直接从事件链表中移除

  3. 任务删除时,线程已经开始执行调度 -> 正在运行（或产生）

  • 将任务插入删除任务链表末尾
  1. 任务删除时,任务处于挂起状态
  • 重置下一个预期的解锁时间，以防它引用刚刚删除的任务

  1. 如果调度没有开始,直接删除TCB

  2. 调度开始,当前执行任务就是删除任务,执行一次Yield操作,即去产生一次调度

2.3 内核任务挂起

  1. uxSchedulerSuspended+1

https://www.freertos.org/FreeRTOS_Support_Forum_Archive/September_2013/freertos_Concerns_about_the_atomicity_of_vTaskSuspendAll_d165e9c3j.html

基本上，关键在于每个任务都维护自己的上下文，如果变量非零，则不会发生上下文切换。因此，只要从寄存器写入内存是原子的，就没有问题。

/*此加载将变量的值存储在寄存器中。*/
将 uxSchedulerSuspendeded 加载到寄存器中

...现在上下文切换导致另一个任务运行，并且另一个任务使用相同的变量。另一个任务将看到变量为零，因为变量有
尚未被原始任务更新……最终原始任务再次运行。**这只能发生当 uxSchedulerSuspended 再次为零时**，并且当原来的任务再次运行CPU的内容寄存器被恢复到原来的样子被切换出去——因此它读入的值寄存器仍然匹配的值
xuSchedulerSuspended 变量...

/* 该值将增加至等于 1。 */
增量寄存器

/* 恢复到 uxSchedulerSuspended 的值将是正确值为 1，即使使用了变量同时完成其他任务。*/
将寄存器存储到 uxSchedulerSuspendeded 中

2.4 内核任务恢复

  1. uxSchedulerSuspended必须为0,才能进行任务调度

  2. 从就绪列表中找到最高优先级任务,进行调度

  3. 移除所用于的事件链表和状态链表

  4. 就绪链表任务 > 当前任务优先级,执行Yield调度

2.5 任务延时挂起

  1. 将任务从就绪列表中删除，然后再将其添加到阻止列表中,因为两个列表使用相同的列表项.
  2. 如果延时时间是永久,将任务添加到挂起任务列表中，而不是延迟任务列表以确保它不会被定时事件唤醒。 它会无限期阻塞。
  3. 否则,根据当前tick计算下一次唤醒时间,插入就绪链表中;
  4. 如果溢出,则插入溢出延时链表中

2.6 空闲线程

  1. 检查并清除已删除的任务
  2. 低功耗 TICKLESS 功能

  • 获取预期空闲时间

    1. 当前任务优先级 > 空闲线程,即还需要退出空闲线程 -> 不需要空闲时间
    2. 处于就绪状态的任务的优先级高于空闲优先 -> 不需要空闲时间
    3. 其余情况 空闲时间 = 下一个解锁时间 - 当前tick时间

  • 预期空闲时间

    1. 设定的最小进入低功耗时间
    2. 进入低功耗
    3. 设置SYSTICK下一次唤醒时间
    4. 唤醒后计算任务补偿时间

  • 完成低功耗进退过程

2.7 任务启动

  1. 创建空闲线程

  2. 创建定时器线程

  3. 关闭中断，以确保不会发生SYStcik中断.

  4. 硬件调度启动xPortStartScheduler

  • 使PendSV和SysTick成为最低优先级中断，并使SVCall最高优先级

  • 设置SYSTICK定时器和所需的频率

  • 启动第一个任务

3.队列管理

  • FreeRTOS 消息缓冲区（在 TBD 章节中描述）为保存可变长度消息的队列提供了一种更轻量的替代方案
  • 队列可以有多个读取，因此单个队列上可能有多个任务被阻塞以等待数据。在这种情况下，当数据可用时，只有一个任务被解除阻塞。被解除阻塞的任务始终是等待数据的最高优先级任务。如果两个或多个被阻塞的任务具有相同的优先级，那么被解除阻塞的任务是等待时间最长的任务.
  • 就像从队列读取时一样，任务在写入队列时也可以选择指定阻塞时间。在这种情况下，如果队列已满，阻塞时间就是任务处于阻塞状态以等待队列上有可用空间的最长时间

3.1 队列发送

  1. 循环执行
  2. 查询接收队列不为空,立刻执行调度
  3. 队列为满,没有等待时间立刻退出;具有等待时间,执行超时检查
  4. 当前未超时,
  5. 当前已超时,退出执行调度

队列吃力,不在阅读

4.软件定时器管理

  1. 创建定时器线程
  2. 线程中接收队列命令进行处理并执行回调

5.PORT

5.1 栈初始化

StackType_t * pxPortInitialiseStack( StackType_t * pxTopOfStack,
                                     TaskFunction_t pxCode,
                                     void * pvParameters )
{
    /* Simulate the stack frame as it would be created by a context switch
     * interrupt. */
    pxTopOfStack--;                                                      /* Offset added to account for the way the MCU uses the stack on entry/exit of interrupts. */
    *pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR;                                    /* xPSR */
    pxTopOfStack--;
    *pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK; /* PC */
    pxTopOfStack--;
    *pxTopOfStack = ( StackType_t ) portTASK_RETURN_ADDRESS;             /* LR */
    pxTopOfStack -= 5;                                                   /* R12, R3, R2 and R1. */
    *pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters;                        /* R0 */
    pxTopOfStack -= 8;                                                   /* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */

    return pxTopOfStack;
}

5.2 任务退出

任务不允许退出,因为任务退出会破坏任务调度器的数据结构.任务可以调用 vTaskDelete(NULL) 以删除自己.如果任务使用 vTaskDelete() API 函数删除自身,则空闲任务必须有足够的处理时间.这是因为空闲任务负责清理删除自身的任务所使用的内核资源.

static void prvTaskExitError( void )
{
    volatile uint32_t ulDummy = 0UL;

    configASSERT( uxCriticalNesting == ~0UL );
    portDISABLE_INTERRUPTS();

    while( ulDummy == 0 )
    {
    }
}

5.3 进入第一个任务

  • 由于进入第一个任务时,并没有from任务,所以需要执行不同操作
    ldr r0, =0xE000ED08   //将NVIC偏移寄存器的地址（0xE000ED08）加载到寄存器r0中。NVIC偏移寄存器用于定位堆栈。 
    ldr r0, [r0]          //读取r0寄存器中的地址处的值，然后将该值加载到r0寄存器中 这个值实际上是一个指向堆栈顶部的指针的地址
    ldr r0, [r0]          //再次执行上述操作，这是因为堆栈地址存储在两级指针中。这个值就是堆栈顶部的实际地址。
    msr msp, r0           // 将主堆栈指针（msp）设置回堆栈的开始
    cpsie i               // 全局启用中断
    cpsie f               // 启用浮点单元 开启中断和异常，让下面的SVC中断能够响应
    dsb                   // 数据同步屏障指令，确保在继续执行后续指令之前完成所有内存访问。
    isb                   // 指令同步屏障，清除流水线，以便所有影响程序状态的指令都可以在后续指令执行之前完成
    svc 0                 // 执行系统调用以启动第一个任务 触发SVC中断
    nop                   // 
    .ltorg

SVC（Supervisor Call）中断，也被称为系统调用中断，是ARM Cortex-M架构中的一种特殊类型的中断。它主要用于在用户模式和内核模式之间进行切换。

在嵌入式系统或实时操作系统（RTOS）中，SVC中断通常用于执行以下操作：

任务切换：当一个任务完成其执行或需要等待某个事件（如I/O操作完成）时，可以通过触发SVC中断来切换到另一个任务。SVC中断处理程序会保存当前任务的上下文（即寄存器的状态），然后恢复下一个任务的上下文，从而实现任务切换。
系统服务调用：应用程序可以通过触发SVC中断来请求操作系统提供的服务，如内存分配、文件操作等。SVC中断号（在svc指令后的数字）通常用于指定要调用的系统服务。
权限切换：在更复杂的操作系统中，SVC中断可以用于在用户模式（有限的权限）和内核模式（完全的权限）之间切换。这对于保护系统资源和隔离应用程序错误非常重要。

5.4 SVC中断处理

    ldr r3, pxCurrentTCBConst2/* Restore the context. */
    ldr r1, [r3]              /* Use pxCurrentTCBConst to get the pxCurrentTCB address. */
    ldr r0, [r1]              /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
    ldmia r0!, {r4-r11}       /* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */
    msr psp, r0               /* Restore the task stack pointer. */
    isb                       
    mov r0, #0                // r0 = 0
    msr basepri, r0           // 设置basepri为0
    orr r14, #0xd             // r向r14寄存器最后4位按位或上0x0D
    bx r14                    // 使得硬件在退出时使用进程堆栈指针PSP完成出栈操作并返回后进入线程模式、返回用户级
                              
    .align 4                  
    pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB
  • 以r0 为基地址，将栈中向上增长的8个字的内容加载到CPU寄存器r4~r11，同时r0 也会跟着自增。并将自增后的r0赋值给psp
  • 退出中断，由于此时sp指针使用任务指针psp，所以在进行中断退出的出栈操作时，是以psp指针指向地址开始出栈。这一部分均由硬件完成，相应寄存器会被置位，比如PC指针会更新成新任务的入口地址。
  • 至此，pc指针指向任务的函数地址，sp指针(此时为psp)指向任务栈的栈顶，第一个任务成功运行。

5.4 调度程序启动

  • 使 PendSV 和 SysTick 成为最低优先级中断

  • 启动生成tick ISR的定时器

  • 初始化关键嵌套计数，为第一个任务做好准备

  • 开始第一个任务prvPortStartFirstTask

5.5 PENdSV中断处理

    mrs r0, psp                         
    isb                                 
                                        
    ldr r3, pxCurrentTCBConst           /* Get the location of the current TCB. */
    ldr r2, [r3]                        
                                        
    stmdb r0!, {r4-r11}                 /* Save the remaining registers. */
    str r0, [r2]                        /* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */
                                        
    stmdb sp!, {r3, r14}                
    mov r0, %0                          
    msr basepri, r0                     
    bl vTaskSwitchContext               
    mov r0, #0                          
    msr basepri, r0                     
    ldmia sp!, {r3, r14}                
                                        /* Restore the context, including the critical nesting count. */
    ldr r1, [r3]                        
    ldr r0, [r1]                        /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
    ldmia r0!, {r4-r11}                 /* Pop the registers. */
    msr psp, r0                         
    isb                                 
    bx r14                              
                                        
    .align 4                            
    pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB
    ::"i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY )
  1. 保存上文部分
  • R0=psp，R3=pxCurrentTCB，R2=pxCurrentTCB->TopOfStack(任务块第一个成员为栈顶地址)，保存它们是为了之后使用。因为在进入PendSV中断时，硬件已经自动将一些寄存器入栈了，所以只需要将R4-R11手动入栈即可。此时的R0指向栈顶，将其保存到R2中，更新当前任务栈的栈顶，方便以后任务切换时调用。
  1. 切换下文

  • 先执行vTaskSwitchContext() -> taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK
    首先寻找最高优先级任务,然后使用listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY -> 进行切换同优先级的下一个任务,让同优先级的每一个任务都能拥有相同的执行时间。RT-Thread和μC/OS可以指定时间片的大小为多个tick，但是FreeRTOS不一样，时间片只能 是一个tick。

  • 首先是开中断，修改完了pxCurrentTCB要立即打开，不然会影响系统的实时性。之后的操作与入栈如出一辙，值得注意的是，之前R3，R14入栈的作用就在这里体现了，R3始终指向pxCurrentTCB的地址，R14保存的进入中断之前的处理器模式和堆栈指针。

5.6 xPortSysTickHandler

  1. 调用了vPortSetupTimerInterrupt()来使能系统时钟Systick,主要工作是设置Systick定时器的中断周期和使能Systick中断

  2. xPortSysTickHandler()函数首先进行关中断处理，然后调用xTaskIncrementTick()函数


原文地址：https://blog.csdn.net/qq_39665253/article/details/145147377

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