TencentOS tiny調(diào)度器的概念和啟動調(diào)度器的方法

這篇文章主要介紹“TencentOS  tiny調(diào)度器的概念和啟動調(diào)度器的方法”，在日常操作中，相信很多人在TencentOS  tiny調(diào)度器的概念和啟動調(diào)度器的方法問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”TencentOS  tiny調(diào)度器的概念和啟動調(diào)度器的方法”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

調(diào)度器的基本概念

TencentOS tiny中提供的任務(wù)調(diào)度器是基于優(yōu)先級的全搶占式調(diào)度，在系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)有比當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(wù)就緒時，當(dāng)前任務(wù)將立刻被切出，高優(yōu)先級任務(wù)搶占處理器運行。

TencentOS tiny內(nèi)核中也允許創(chuàng)建相同優(yōu)先級的任務(wù)。相同優(yōu)先級的任務(wù)采用時間片輪轉(zhuǎn)方式進行調(diào)度（也就是通常說的分時調(diào)度器），時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度僅在當(dāng)前系統(tǒng)中無更高優(yōu)先級就緒任務(wù)的情況下才有效。

為了保證系統(tǒng)的實時性，系統(tǒng)盡最大可能地保證高優(yōu)先級的任務(wù)得以運行。任務(wù)調(diào)度的原則是一旦任務(wù)狀態(tài)發(fā)生了改變，并且當(dāng)前運行的任務(wù)優(yōu)先級小于優(yōu)先級隊列中任務(wù)最高優(yōu)先級時，立刻進行任務(wù)切換（除非當(dāng)前系統(tǒng)處于中斷處理程序中或禁止任務(wù)切換的狀態(tài)）。

調(diào)度器是操作系統(tǒng)的核心，其主要功能就是實現(xiàn)任務(wù)的切換，即從就緒列表里面找到優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后去執(zhí)行該任務(wù)。

啟動調(diào)度器

調(diào)度器的啟動由cpu_sched_start函數(shù)來完成，它會被tos_knl_start函數(shù)調(diào)用，這個函數(shù)中主要做兩件事，首先通過readyqueue_highest_ready_task_get函數(shù)獲取當(dāng)前系統(tǒng)中處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)，并且將它賦值給指向當(dāng)前任務(wù)控制塊的指針k_curr_task ，然后設(shè)置一下系統(tǒng)的狀態(tài)為運行態(tài)KNL_STATE_RUNNING。

當(dāng)然最重要的是調(diào)用匯編代碼寫的函數(shù)cpu_sched_start啟動調(diào)度器，該函數(shù)在源碼的arch\arm\arm-v7m目錄下的port_s.S匯編文件下，TencentOS tiny支持多種內(nèi)核的芯片，如M3/M4/M7等，不同的芯片該函數(shù)的實現(xiàn)方式不同，port_s.S也是TencentOS tiny作為軟件與CPU硬件連接的橋梁。以M4的cpu_sched_start舉個例子：

__API__ k_err_t tos_knl_start(void)
{
    if (tos_knl_is_running()) {
        return K_ERR_KNL_RUNNING;
    }

    k_next_task = readyqueue_highest_ready_task_get();
    k_curr_task = k_next_task;
    k_knl_state = KNL_STATE_RUNNING;
    cpu_sched_start();

    return K_ERR_NONE;
}

port_sched_start
    CPSID   I	

    ; set pendsv priority lowest
    ; otherwise trigger pendsv in port_irq_context_switch will cause a context swich in irq
    ; that would be a disaster
    MOV32   R0, NVIC_SYSPRI14
    MOV32   R1, NVIC_PENDSV_PRI
    STRB    R1, [R0]

    LDR     R0, =SCB_VTOR
    LDR     R0, [R0]
    LDR     R0, [R0]
    MSR     MSP, R0

    ; k_curr_task = k_next_task
    MOV32   R0, k_curr_task
    MOV32   R1, k_next_task
    LDR     R2, [R1]
    STR     R2, [R0]

    ; sp = k_next_task->sp
    LDR     R0, [R2]
    ; PSP = sp
    MSR     PSP, R0

    ; using PSP
    MRS     R0, CONTROL
    ORR     R0, R0, #2
    MSR     CONTROL, R0

    ISB

    ; restore r4-11 from new process stack
    LDMFD   SP!, {R4 - R11}

    IF {FPU} != "SoftVFP"
    ; ignore EXC_RETURN the first switch
    LDMFD   SP!, {R0}
    ENDIF

    ; restore r0, r3
    LDMFD    SP!, {R0 - R3}
    ; load R12 and LR
    LDMFD    SP!, {R12, LR}
    ; load PC and discard xPSR
    LDMFD    SP!, {R1, R2}

    CPSIE    I
    BX       R1

Cortex-M內(nèi)核關(guān)中斷指令

從上面的匯編代碼，我又想介紹一下Cortex-M內(nèi)核關(guān)中斷指令，唉~感覺還是有點麻煩！ 為了快速地開關(guān)中斷， Cortex-M內(nèi)核專門設(shè)置了一條 CPS 指令，用于操作PRIMASK寄存器跟FAULTMASK寄存器的，這兩個寄存器是與屏蔽中斷有關(guān)的，除此之外Cortex-M內(nèi)核還存在BASEPRI寄存器也是與中斷有關(guān)的，也順帶介紹一下吧。

CPSID I 	;PRIMASK=1     ;關(guān)中斷
CPSIE I 	;PRIMASK=0     ;開中斷
CPSID F 	;FAULTMASK=1   ;關(guān)異常
CPSIE F 	;FAULTMASK=0   ;開異常

更多具體的描述看我以前的文章：RTOS臨界段知識：https://blog.csdn.net/jiejiemcu/article/details/82534974

回歸正題

在啟動內(nèi)核調(diào)度器過程中需要配置PendSV 的中斷優(yōu)先級為最低，就是往NVIC_SYSPRI14（0xE000ED22）地址寫入NVIC_PENDSV_PRI（0xFF）。因為PendSV都會涉及到系統(tǒng)調(diào)度，系統(tǒng)調(diào)度的優(yōu)先級要低于系統(tǒng)的其它硬件中斷優(yōu)先級，即優(yōu)先響應(yīng)系統(tǒng)中的外部硬件中斷，所以PendSV的中斷優(yōu)先級要配置為最低，不然很可能在中斷上下文中產(chǎn)生任務(wù)調(diào)度。

PendSV 異常會自動延遲上下文切換的請求，直到其它的 ISR 都完成了處理后才放行。為實現(xiàn)這個機制，需要把 PendSV 編程為最低優(yōu)先級的異常。如果 OS 檢測到某 ISR 正在活動，它將懸起一個 PendSV 異常，以便緩期執(zhí)行上下文切換。也就是說，只要將PendSV的優(yōu)先級設(shè)為最低的，systick即使是打斷了IRQ，它也不會馬上進行上下文切換，而是等到ISR執(zhí)行完，PendSV 服務(wù)例程才開始執(zhí)行，并且在里面執(zhí)行上下文切換。過程如圖所示： 然后獲取MSP主棧指針的地址，在Cortex-M中，0xE000ED08是SCB_VTOR寄存器的地址，里面存放的是向量表的起始地址。

加載k_next_task指向的任務(wù)控制塊到 R2，從上一篇文章可知任務(wù)控制塊的第一個成員就是棧頂指針，所以此時R2等于棧頂指針。

ps : 在調(diào)度器啟動時，k_next_task與k_curr_task是一樣的（k_curr_task = k_next_task）

加載R2到R0，然后將棧頂指針R0更新到psp，任務(wù)執(zhí)行的時候使用的棧指針是psp。

ps：sp指針有兩個，分別為psp和msp。（可以簡單理解為：在任務(wù)上下文環(huán)境中使用psp，在中斷上下文環(huán)境使用msp，也不一定是正確的，這是我個人的理解）

以R0為基地址，將棧中向上增長的8個字的內(nèi)容加載到CPU寄存器R4~R11，同時R0也會跟著自增

接著需要加載R0 ~ R3、R12以及LR、 PC、xPSR到CPU寄存器組，PC指針指向的是即將要運行的線程，而LR寄存器則指向任務(wù)的退出。因為這是第一次啟動任務(wù)，要全部手動把任務(wù)棧上的寄存器彈到硬件里，才能進入第一個任務(wù)的上下文，因為一開始并沒有第一個任務(wù)運行的上下文環(huán)境，而在進入PendSV的時候需要上文保存，所以需要手動創(chuàng)造任務(wù)上下文環(huán)境（將這些寄存器加載到CPU寄存器組中），第一次的時候此匯編入口函數(shù)，sp是指向一個選好的任務(wù)的棧頂（k_curr_task）。

看看任務(wù)棧的初始化

從上面的了解，再來看看任務(wù)棧的初始化，可能會有更深一點的印象。主要了解以下幾點即可：

• 獲取棧頂指針為stk_base[stk_size]高地址，Cortex-M內(nèi)核的棧是向下增長的。

• R0、R1、R2、R3、R12、R14、R15和xPSR的位24是會被CPU自動加載與保存的。

• xPSR的bit24必須置1，即0x01000000。

• entry是任務(wù)的入口地址，即PC

• R14 (LR)是任務(wù)的退出地址，所以任務(wù)一般是死循環(huán)而不會return

• R0: arg是任務(wù)主體的形參

• 初始化棧時sp指針會自減

__KERNEL__ k_stack_t *cpu_task_stk_init(void *entry,
                                              void *arg,
                                              void *exit,
                                              k_stack_t *stk_base,
                                              size_t stk_size)
{
    cpu_data_t *sp;

    sp = (cpu_data_t *)&stk_base[stk_size];
    sp = (cpu_data_t *)((cpu_addr_t)(sp) & 0xFFFFFFF8);

    /* auto-saved on exception(pendSV) by hardware */
    *--sp = (cpu_data_t)0x01000000u;    /* xPSR     */
    *--sp = (cpu_data_t)entry;          /* entry    */
    *--sp = (cpu_data_t)exit;           /* R14 (LR) */
    *--sp = (cpu_data_t)0x12121212u;    /* R12      */
    *--sp = (cpu_data_t)0x03030303u;    /* R3       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x02020202u;    /* R2       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x01010101u;    /* R1       */
    *--sp = (cpu_data_t)arg;            /* R0: arg  */

    /* Remaining registers saved on process stack */
    /* EXC_RETURN = 0xFFFFFFFDL
       Initial state: Thread mode +  non-floating-point state + PSP
       31 - 28 : EXC_RETURN flag, 0xF
       27 -  5 : reserved, 0xFFFFFE
       4       : 1, basic stack frame; 0, extended stack frame
       3       : 1, return to Thread mode; 0, return to Handler mode
       2       : 1, return to PSP; 0, return to MSP
       1       : reserved, 0
       0       : reserved, 1
     */
#if defined (TOS_CFG_CPU_ARM_FPU_EN) && (TOS_CFG_CPU_ARM_FPU_EN == 1U)
    *--sp = (cpu_data_t)0xFFFFFFFDL;
#endif

    *--sp = (cpu_data_t)0x11111111u;    /* R11      */
    *--sp = (cpu_data_t)0x10101010u;    /* R10      */
    *--sp = (cpu_data_t)0x09090909u;    /* R9       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x08080808u;    /* R8       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x07070707u;    /* R7       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x06060606u;    /* R6       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x05050505u;    /* R5       */
    *--sp = (cpu_data_t)0x04040404u;    /* R4       */

    return (k_stack_t *)sp;
}

查找最高優(yōu)先級任務(wù)

一個操作系統(tǒng)如果只是具備了高優(yōu)先級任務(wù)能夠立即獲得處理器并得到執(zhí)行的特點，那么它仍然不算是實時操作系統(tǒng)。因為這個查找最高優(yōu)先級任務(wù)的過程決定了調(diào)度時間是否具有確定性，可以簡單來說可以使用時間復(fù)雜度來描述一下吧，如果系統(tǒng)查找最高優(yōu)先級任務(wù)的時間是O(N)，那么這個時間會隨著任務(wù)個數(shù)的增加而增大，這是不可取的，TencentOS tiny的時間復(fù)雜度是O(1)，它提供兩種方法查找最高優(yōu)先級任務(wù)，通過TOS_CFG_CPU_LEAD_ZEROS_ASM_PRESENT宏定義決定。

1. 第一種是使用普通方法，根據(jù)就緒列表中k_rdyq.prio_mask[]的變量判斷對應(yīng)的位是否被置1。

2. 第二種方法則是特殊方法，利用計算前導(dǎo)零指令CLZ，直接在k_rdyq.prio_mask[]這個32位的變量中直接得出最高優(yōu)先級所處的位置，這種方法比普通方法更快捷，但受限于平臺（需要硬件前導(dǎo)零指令，在STM32中我們就可以使用這種方法）。

實現(xiàn)過程如下，建議看一看readyqueue_prio_highest_get函數(shù)，他的實現(xiàn)還是非常精妙的~

__STATIC__ k_prio_t readyqueue_prio_highest_get(void)
{
    uint32_t *tbl;
    k_prio_t prio;

    prio    = 0;
    tbl     = &k_rdyq.prio_mask[0];

    while (*tbl == 0) {
        prio += K_PRIO_TBL_SLOT_SIZE;
        ++tbl;
    }
    prio += tos_cpu_clz(*tbl);
    return prio;
}

__API__ uint32_t tos_cpu_clz(uint32_t val)
{
#if defined(TOS_CFG_CPU_LEAD_ZEROS_ASM_PRESENT) && (TOS_CFG_CPU_LEAD_ZEROS_ASM_PRESENT == 0u)
    uint32_t nbr_lead_zeros = 0;

    if (!(val & 0XFFFF0000)) {
        val <<= 16;
        nbr_lead_zeros += 16;
    }

    if (!(val & 0XFF000000)) {
        val <<= 8;
        nbr_lead_zeros += 8;
    }

    if (!(val & 0XF0000000)) {
        val <<= 4;
        nbr_lead_zeros += 4;
    }

    if (!(val & 0XC0000000)) {
        val <<= 2;
        nbr_lead_zeros += 2;
    }

    if (!(val & 0X80000000)) {
        nbr_lead_zeros += 1;
    }

    if (!val) {
        nbr_lead_zeros += 1;
    }

    return (nbr_lead_zeros);
#else
    return port_clz(val);
#endif
}

任務(wù)切換的實現(xiàn)

從前面我們也知道，任務(wù)切換是在PendSV中斷中進行的，這個中斷中實現(xiàn)的內(nèi)容總結(jié)成一句精髓的話就是 上文保存，下文切換，直接看源代碼：

PendSV_Handler
    CPSID   I
    MRS     R0, PSP

_context_save
    ; R0-R3, R12, LR, PC, xPSR is saved automatically here
    IF {FPU} != "SoftVFP"
    ; is it extended frame?
    TST     LR, #0x10
    IT      EQ
    VSTMDBEQ  R0!, {S16 - S31}
    ; S0 - S16, FPSCR saved automatically here

    ; save EXC_RETURN
    STMFD   R0!, {LR}
    ENDIF

    ; save remaining regs r4-11 on process stack
    STMFD   R0!, {R4 - R11}

    ; k_curr_task->sp = PSP
    MOV32   R5, k_curr_task
    LDR     R6, [R5]
    ; R0 is SP of process being switched out
    STR     R0, [R6]

_context_restore
    ; k_curr_task = k_next_task
    MOV32   R1, k_next_task
    LDR     R2, [R1]
    STR     R2, [R5]

    ; R0 = k_next_task->sp
    LDR     R0, [R2]

    ; restore R4 - R11
    LDMFD   R0!, {R4 - R11}

    IF {FPU} != "SoftVFP"
    ; restore EXC_RETURN
    LDMFD   R0!, {LR}
    ; is it extended frame?
    TST     LR, #0x10
    IT      EQ
    VLDMIAEQ    R0!, {S16 - S31}
    ENDIF

    ; Load PSP with new process SP
    MSR     PSP, R0
    CPSIE   I
    ; R0-R3, R12, LR, PC, xPSR restored automatically here
    ; S0 - S16, FPSCR restored automatically here if FPCA = 1
    BX      LR

    ALIGN
    END

將PSP的值存儲到R0。當(dāng)進入PendSVC_Handler時，上一個任務(wù)運行的環(huán)境即： xPSR，PC（任務(wù)入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0這些CPU寄存器的值會自動存儲到任務(wù)的棧中，此時psp指針已經(jīng)被自動更新。而剩下的r4~r11需要手動保存，這也是為啥要在PendSVC_Handler中保存上文（_context_save）的原因，主要是加載CPU中不能自動保存的寄存器，將其壓入任務(wù)棧中。

接著找到下一個要運行的任務(wù)k_next_task，將它的任務(wù)棧頂加載到R0，然后手動將新任務(wù)棧中的內(nèi)容（此處是指R4~R11）加載到CPU寄存器組中，這就是下文切換，當(dāng)然還有一些其他沒法自動保存的內(nèi)容也是需要手動加載到CPU寄存器組的。手動加載完后，此時R0已經(jīng)被更新了，更新psp的值，在退出PendSVC_Handler中斷時，會以psp作為基地址，將任務(wù)棧中剩下的內(nèi)容（xPSR，PC（任務(wù)入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0）自動加載到CPU寄存器。

其實在異常發(fā)生時，R14中保存異常返回標(biāo)志，包括返回后進入任務(wù)模式還是處理器模式、使用PSP堆棧指針還是MSP堆棧指針。此時的r14等于0xfffffffd，最表示異常返回后進入任務(wù)模式（畢竟PendSVC_Handler優(yōu)先級是最低的，會返回到任務(wù)中），SP以PSP作為堆棧指針出棧，出棧完畢后PSP指向任務(wù)棧的棧頂。當(dāng)調(diào)用 BX R14指令后，系統(tǒng)以PSP作為SP指針出棧，把接下來要運行的新任務(wù)的任務(wù)棧中剩下的內(nèi)容加載到CPU寄存器：R0、R1、R2、R3、R12、R14（LR）、R15（PC）和xPSR，從而切換到新的任務(wù)。

SysTick

SysTick初始化

systick是系統(tǒng)的時基，而且它是內(nèi)核時鐘，只要是M0/M3/M4/M7內(nèi)核它都會存在systick時鐘，并且它是可以被編程配置的，這就對操作系統(tǒng)的移植提供極大的方便。 TencentOS tiny會在cpu_init函數(shù)中將systick進行初始化，即調(diào)用cpu_systick_init函數(shù)，這樣子就不需要用戶自行去編寫systick初始化相關(guān)的代碼。

__KERNEL__ void cpu_init(void)
{
    k_cpu_cycle_per_tick = TOS_CFG_CPU_CLOCK / k_cpu_tick_per_second;
    cpu_systick_init(k_cpu_cycle_per_tick);

#if (TOS_CFG_CPU_HRTIMER_EN > 0)
    tos_cpu_hrtimer_init();
#endif
}

__KERNEL__ void cpu_systick_init(k_cycle_t cycle_per_tick)
{
    port_systick_priority_set(TOS_CFG_CPU_SYSTICK_PRIO);
    port_systick_config(cycle_per_tick);
}

SysTick中斷

SysTick中斷服務(wù)函數(shù)是需要我們自己編寫的，要在里面調(diào)用一下TencentOS tiny相關(guān)的函數(shù)，更新系統(tǒng)時基以驅(qū)動系統(tǒng)的運行，SysTick_Handler函數(shù)的移植如下：

void SysTick_Handler(void)
{
  HAL_IncTick();
  if (tos_knl_is_running())
  {
    tos_knl_irq_enter();
    
    tos_tick_handler();
    
    tos_knl_irq_leave();
  }
}

主要是需要調(diào)用tos_tick_handler函數(shù)將系統(tǒng)時基更新，具體見：

__API__ void tos_tick_handler(void)
{
    if (unlikely(!tos_knl_is_running())) {
        return;
    }

    tick_update((k_tick_t)1u);

#if TOS_CFG_TIMER_EN > 0u && TOS_CFG_TIMER_AS_PROC > 0u
    timer_update();
#endif

#if TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN > 0u
    robin_sched(k_curr_task->prio);
#endif
}

不得不說TencentOS tiny源碼的實現(xiàn)非常簡單，我非常喜歡，在tos_tick_handler中，首先判斷一下系統(tǒng)是否已經(jīng)開始運行，如果沒有運行將直接返回，如果已經(jīng)運行了，那就調(diào)用tick_update函數(shù)更新系統(tǒng)時基，如果使能了TOS_CFG_TIMER_EN 宏定義表示使用軟件定時器，則需要更新相應(yīng)的處理，此處暫且不提及。如果使能了TOS_CFG_ROUND_ROBIN_EN 宏定義，還需要更新時間片相關(guān)變量，稍后講解。

__KERNEL__ void tick_update(k_tick_t tick)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();
    k_task_t *first, *task;
    k_list_t *curr, *next;

    TOS_CPU_INT_DISABLE();
    k_tick_count += tick;

    if (tos_list_empty(&k_tick_list)) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return;
    }

    first = TOS_LIST_FIRST_ENTRY(&k_tick_list, k_task_t, tick_list);
    if (first->tick_expires <= tick) {
        first->tick_expires = (k_tick_t)0u;
    } else {
        first->tick_expires -= tick;
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return;
    }

    TOS_LIST_FOR_EACH_SAFE(curr, next, &k_tick_list) {
        task = TOS_LIST_ENTRY(curr, k_task_t, tick_list);
        if (task->tick_expires > (k_tick_t)0u) {
            break;
        }

        // we are pending on something, but tick's up, no longer waitting
        pend_task_wakeup(task, PEND_STATE_TIMEOUT);
    }

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
}

tick_update函數(shù)的主要功能就是將k_tick_count +1，并且判斷一下時基列表k_tick_list（也可以成為延時列表吧）的任務(wù)是否超時，如果超時則喚醒該任務(wù)，否則就直接退出即可。關(guān)于時間片的調(diào)度也是非常簡單，將任務(wù)的剩余時間片變量timeslice減一，然后當(dāng)變量減到0時，將該變量進行重裝載timeslice_reload，然后切換任務(wù)knl_sched()，其實現(xiàn)過程如下：

__KERNEL__ void robin_sched(k_prio_t prio)
{
    TOS_CPU_CPSR_ALLOC();
    k_task_t *task;

    if (k_robin_state != TOS_ROBIN_STATE_ENABLED) {
        return;
    }

    TOS_CPU_INT_DISABLE();

    task = readyqueue_first_task_get(prio);
    if (!task || knl_is_idle(task)) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return;
    }

    if (readyqueue_is_prio_onlyone(prio)) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return;
    }

    if (knl_is_sched_locked()) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return;
    }

    if (task->timeslice > (k_timeslice_t)0u) {
        --task->timeslice;
    }

    if (task->timeslice > (k_timeslice_t)0u) {
        TOS_CPU_INT_ENABLE();
        return;
    }

    readyqueue_move_head_to_tail(k_curr_task->prio);

    task = readyqueue_first_task_get(prio);
    if (task->timeslice_reload == (k_timeslice_t)0u) {
        task->timeslice = k_robin_default_timeslice;
    } else {
        task->timeslice = task->timeslice_reload;
    }

    TOS_CPU_INT_ENABLE();
    knl_sched();
}

到此，關(guān)于“TencentOS  tiny調(diào)度器的概念和啟動調(diào)度器的方法”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>