实验目的
任务调度是操作系统的核心功能之一。 UniProton实现的是一个单进程支持多线程的操作系统。在UniProton中,一个任务表示一个线程。UniProton中的任务为抢占式调度机制,而非时间片轮转调度方式。高优先级的任务可打断低优先级任务,低优先级任务必须在高优先级任务挂起或阻塞后才能得到调度。
实验内容
基础数据结构:双向链表
双向链表结构在 src/include/list_types.h 中定义:
#ifndef _LIST_TYPES_H
#define _LIST_TYPES_H
struct TagListObject {
struct TagListObject *prev;
struct TagListObject *next;
};
#endif /* end _LIST_TYPES_H */
这个结构体 TagListObject
包含两个指针成员,prev
和 next
,分别用于指向链表中的前一个和下一个元素。
在 src/include/prt_list_external.h 中定义了链表各种相关操作:
#ifndef PRT_LIST_EXTERNAL_H
#define PRT_LIST_EXTERNAL_H
#include "prt_typedef.h"
#include "list_types.h"
#define LIST_OBJECT_INIT(object) { \
&(object), &(object) \
}
#define INIT_LIST_OBJECT(object) \
do { \
(object)->next = (object); \
(object)->prev = (object); \
} while (0)
#define LIST_LAST(object) ((object)->prev)
#define LIST_FIRST(object) ((object)->next)
#define OS_LIST_FIRST(object) ((object)->next)
/* list action low level add */
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void ListLowLevelAdd(struct TagListObject *newNode, struct TagListObject *prev,
struct TagListObject *next)
{
newNode->next = next;
newNode->prev = prev;
next->prev = newNode;
prev->next = newNode;
}
/* list action add */
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void ListAdd(struct TagListObject *newNode, struct TagListObject *listObject)
{
ListLowLevelAdd(newNode, listObject, listObject->next);
}
/* list action tail add */
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void ListTailAdd(struct TagListObject *newNode, struct TagListObject *listObject)
{
ListLowLevelAdd(newNode, listObject->prev, listObject);
}
/* list action lowel delete */
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void ListLowLevelDelete(struct TagListObject *prevNode, struct TagListObject *nextNode)
{
nextNode->prev = prevNode;
prevNode->next = nextNode;
}
/* list action delete */
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void ListDelete(struct TagListObject *node)
{
ListLowLevelDelete(node->prev, node->next);
node->next = NULL;
node->prev = NULL;
}
/* list action empty */
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE bool ListEmpty(const struct TagListObject *listObject)
{
return (bool)((listObject->next == listObject) && (listObject->prev == listObject));
}
#define OFFSET_OF_FIELD(type, field) ((uintptr_t)((uintptr_t)(&((type *)0x10)->field) - (uintptr_t)0x10))
#define COMPLEX_OF(ptr, type, field) ((type *)((uintptr_t)(ptr) - OFFSET_OF_FIELD(type, field)))
/* 根据成员地址得到控制块首地址, ptr成员地址, type控制块结构, field成员名 */
#define LIST_COMPONENT(ptrOfList, typeOfList, fieldOfList) COMPLEX_OF(ptrOfList, typeOfList, fieldOfList)
#define LIST_FOR_EACH(posOfList, listObject, typeOfList, field) \
for ((posOfList) = LIST_COMPONENT((listObject)->next, typeOfList, field); &(posOfList)->field != (listObject); \
(posOfList) = LIST_COMPONENT((posOfList)->field.next, typeOfList, field))
#define LIST_FOR_EACH_SAFE(posOfList, listObject, typeOfList, field) \
for ((posOfList) = LIST_COMPONENT((listObject)->next, typeOfList, field); \
(&(posOfList)->field != (listObject))&&((posOfList)->field.next != NULL); \
(posOfList) = LIST_COMPONENT((posOfList)->field.next, typeOfList, field))
#endif /* PRT_LIST_EXTERNAL_H */
LIST_OBJECT_INIT(object)
- 用于初始化一个链表节点
object
,使其prev
和next
指针都指向自身。 - 这是在声明时使用的静态初始化方法。
INIT_LIST_OBJECT(object)
- 动态初始化一个链表节点
object
,使其prev
和next
指针都指向自身。 - 这是在运行时使用的初始化方法。
LIST_LAST(object)
- 获取链表
object
的最后一个节点(即object
的前一个节点)。
LIST_FIRST(object)
- 获取链表
object
的第一个节点(即object
的下一个节点)。
ListLowLevelAdd
- 在两个节点
prev
和next
之间添加一个新节点newNode
。 - 这是一个低级别的添加操作,其他添加操作都依赖于它。
ListAdd
- 在
listObject
节点之后添加newNode
节点。 - 实际上调用了
ListLowLevelAdd
函数,将newNode
插入到listObject
和listObject->next
之间。
ListTailAdd
- 在
listObject
节点之前添加newNode
节点。 - 实际上调用了
ListLowLevelAdd
函数,将newNode
插入到listObject->prev
和listObject
之间。
ListLowLevelDelete
- 从链表中删除节点时,调整
prevNode
和nextNode
的指针,使它们直接指向对方。 - 这是一个低级别的删除操作,其他删除操作都依赖于它。
ListDelete
- 从链表中删除
node
节点,并将其next
和prev
指针置为NULL
。
ListEmpty
- 检查链表
listObject
是否为空(即next
和prev
都指向自身)
OFFSET_OF_FIELD
- 计算结构体中字段
field
相对于结构体起始地址的偏移量。 - 使用一个非零基地址(例如
0x10
)来避免编译器优化导致的问题。
COMPLEX_OF
- 根据结构体中的字段指针
ptr
计算得到该字段所属的结构体指针。 - 使用
OFFSET_OF_FIELD
计算字段在结构体中的偏移量。
LIST_COMPONENT
- 根据链表节点指针
ptrOfList
计算得到包含该节点的结构体指针。
LIST_FOR_EACH
- 遍历链表
listObject
,posOfList
是循环变量,typeOfList
是包含链表节点的结构体类型,field
是结构体中的链表节点字段。 LIST_COMPONENT
用于计算当前节点对应的结构体指针。- 遍历从
listObject->next
开始,一直进行到回到listObject
结束。
LIST_FOR_EACH_SAFE
- 安全遍历链表
listObject
,与LIST_FOR_EACH
类似,但在遍历过程中增加了对下一个节点是否为空的检查,以确保遍历的安全性。 - 遍历从
listObject->next
开始,一直进行到回到listObject
结束,同时检查posOfList->field.next
是否为NULL
。
任务控制块
prt_task.h 中除了一些相关宏定义外,还定义了任务创建时参数传递的结构体: struct TskInitParam
:
/*
* 任务创建参数的结构体定义。
*
* 传递任务创建时指定的参数信息。
*/
struct TskInitParam {
/* 任务入口函数 */
TskEntryFunc taskEntry;
/* 任务优先级 */
TskPrior taskPrio;
U16 reserved;
/* 任务参数,最多4个 */
uintptr_t args[4];
/* 任务栈的大小 */
U32 stackSize;
/* 任务名 */
char *name;
/*
* 本任务的任务栈独立配置起始地址,用户必须对该成员进行初始化,
* 若配置为0表示从系统内部空间分配,否则用户指定栈起始地址
*/
uintptr_t stackAddr;
};
prt_task_external.h 中定义了任务调度中最重要的结构——任务控制块 struct TagTskCb
:
#define TagOsRunQue TagListObject //简单实现
/*
* 任务线程及进程控制块的结构体统一定义。
*/
struct TagTskCb {
/* 当前任务的SP */
void *stackPointer;
/* 任务状态,后续内部全改成U32 */
U32 taskStatus;
/* 任务的运行优先级 */
TskPrior priority;
/* 任务栈配置标记 */
U16 stackCfgFlg;
/* 任务栈大小 */
U32 stackSize;
TskHandle taskPid;
/* 任务栈顶 */
uintptr_t topOfStack;
/* 任务入口函数 */
TskEntryFunc taskEntry;
/* 任务Pend的信号量指针 */
void *taskSem;
/* 任务的参数 */
uintptr_t args[4];
#if (defined(OS_OPTION_TASK_INFO))
/* 存放任务名 */
char name[OS_TSK_NAME_LEN];
#endif
/* 信号量链表指针 */
struct TagListObject pendList;
/* 任务延时链表指针 */
struct TagListObject timerList;
/* 持有互斥信号量链表 */
struct TagListObject semBList;
/* 记录条件变量的等待线程 */
struct TagListObject condNode;
#if defined(OS_OPTION_LINUX)
/* 等待队列指针 */
struct TagListObject waitList;
#endif
#if defined(OS_OPTION_EVENT)
/* 任务事件 */
U32 event;
/* 任务事件掩码 */
U32 eventMask;
#endif
/* 任务记录的最后一个错误码 */
U32 lastErr;
/* 任务恢复的时间点(单位Tick) */
U64 expirationTick;
#if defined(OS_OPTION_NUTTX_VFS)
struct filelist tskFileList;
#if defined(CONFIG_FILE_STREAM)
struct streamlist ta_streamlist;
#endif
#endif
};
任务控制块(Task Control Block, TCB)是操作系统内核中的一个数据结构,用于存储和管理任务(或线程)的信息。每个任务在创建时都会分配一个任务控制块,操作系统通过这些控制块来管理任务的调度、状态和执行。
任务控制块的作用:
- 任务管理:TCB包含了任务的状态、优先级、栈指针等信息,操作系统通过这些信息来管理任务的生命周期。
- 任务调度:调度器使用TCB中的优先级和状态信息来决定哪个任务应该被运行。
- 任务切换:在任务切换(上下文切换)时,TCB保存和恢复任务的执行上下文,如CPU寄存器、栈指针等。
prt_amp_task_internal.h:
#ifndef PRT_AMP_TASK_INTERNAL_H
#define PRT_AMP_TASK_INTERNAL_H
#include "prt_task_external.h"
#include "prt_list_external.h"
#define OS_TSK_EN_QUE(runQue, tsk, flags) OsEnqueueTaskAmp((runQue), (tsk))
#define OS_TSK_EN_QUE_HEAD(runQue, tsk, flags) OsEnqueueTaskHeadAmp((runQue), (tsk))
#define OS_TSK_DE_QUE(runQue, tsk, flags) OsDequeueTaskAmp((runQue), (tsk))
extern U32 OsTskAMPInit(void);
extern U32 OsIdleTskAMPCreate(void);
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void OsEnqueueTaskAmp(struct TagOsRunQue *runQue, struct TagTskCb *tsk)
{
ListTailAdd(&tsk->pendList, runQue);
return;
}
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void OsEnqueueTaskHeadAmp(struct TagOsRunQue *runQue, struct TagTskCb *tsk)
{
ListAdd(&tsk->pendList, runQue);
return;
}
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void OsDequeueTaskAmp(struct TagOsRunQue *runQue, struct TagTskCb *tsk)
{
ListDelete(&tsk->pendList);
return;
}
#endif /* PRT_AMP_TASK_INTERNAL_H */
该头文件中主要是定义了三个内联函数,用于将任务控制块加入运行队列头部、加入运行队列尾部和从运行队列中移除任务控制块。
任务创建
相关变量与函数声明
#include "list_types.h"
#include "os_attr_armv8_external.h"
#include "prt_list_external.h"
#include "prt_task.h"
#include "prt_task_external.h"
#include "prt_asm_cpu_external.h"
#include "os_cpu_armv8_external.h"
#include "prt_config.h"
/* Unused TCBs and ECBs that can be allocated. */
OS_SEC_DATA struct TagListObject g_tskCbFreeList = LIST_OBJECT_INIT(g_tskCbFreeList);
extern U32 OsTskAMPInit(void);
extern U32 OsIdleTskAMPCreate(void);
extern void OsFirstTimeSwitch(void);
极简内存空间管理
//简单实现OsMemAllocAlign
/*
* 描述:分配任务栈空间
* 仅支持4K大小,最多256字节对齐空间的分配
*/
uint8_t stackMem[20][4096] __attribute__((aligned(256))); // 256 字节对齐,20 个 4K 大小的空间
uint8_t stackMemUsed[20] = {0}; // 记录对应 4K 空间是否已被分配
OS_SEC_TEXT void *OsMemAllocAlign(U32 mid, U8 ptNo, U32 size, U8 alignPow)
{
// 最多支持256字节对齐
if (alignPow > 8)
return NULL;
if (size != 4096)
return NULL;
for(int i = 0; i < 20; i++){
if (stackMemUsed[i] == 0){
stackMemUsed[i] = 1; // 记录对应 4K 空间已被分配
return &(stackMem[i][0]); // 返回 4K 空间起始地址
}
}
return NULL;
}
/*
* 描述:分配任务栈空间
*/
OS_SEC_L4_TEXT void *OsTskMemAlloc(U32 size)
{
void *stackAddr = NULL;
stackAddr = OsMemAllocAlign((U32)OS_MID_TSK, (U8)0, size,
/* 内存已按16字节大小对齐 */
OS_TSK_STACK_SIZE_ALLOC_ALIGN);
return stackAddr;
}
OsMemAllocAlign
函数:- 检查
alignPow
是否在允许范围内(最大256字节对齐,因此alignPow
≤ 8)。 - 确保请求的大小正好为4096字节。
- 遍历
stackMemUsed
数组以找到一个未使用的4K块。 - 标记找到的块为已使用,并返回其起始地址。
- 如果未找到空闲块,则返回
NULL
。
- 检查
OsTskMemAlloc
函数:- 使用预定义的任务ID (
OS_MID_TSK
)、一个虚拟的ptNo
(0
)、请求的大小和用于16字节对齐的对齐幂 (OS_TSK_STACK_SIZE_ALLOC_ALIGN
,即4
表示 2^4 = 16 字节) 调用OsMemAllocAlign
。 - 返回分配的栈地址,如果分配失败则返回
NULL
。
- 使用预定义的任务ID (
任务栈初始化
在理论课程中,我们知道当发生任务切换时会首先保存前一个任务的上下文到栈里,然后从栈中恢复下一个将运行任务的上下文。可是当任务第一次运行的时候怎么恢复上下文,之前从来没有保存过上下文?
答案就是我们手工制造一个就可以了。下面代码中 stack->x01 到 stack->x29 被初始化成很有标志性意义的值,其他他们的值不重要。比较重要的是 stack->x30 和 stack->spsr 等处的值。
/*
* 描述: 初始化任务栈的上下文
*/
void *OsTskContextInit(U32 taskID, U32 stackSize, uintptr_t *topStack, uintptr_t funcTskEntry)
{
(void)taskID;
struct TskContext *stack = (struct TskContext *)((uintptr_t)topStack + stackSize);
stack -= 1; // 指针减,减去一个TskContext大小
stack->x00 = 0;
stack->x01 = 0x01010101;
stack->x02 = 0x02020202;
stack->x03 = 0x03030303;
stack->x04 = 0x04040404;
stack->x05 = 0x05050505;
stack->x06 = 0x06060606;
stack->x07 = 0x07070707;
stack->x08 = 0x08080808;
stack->x09 = 0x09090909;
stack->x10 = 0x10101010;
stack->x11 = 0x11111111;
stack->x12 = 0x12121212;
stack->x13 = 0x13131313;
stack->x14 = 0x14141414;
stack->x15 = 0x15151515;
stack->x16 = 0x16161616;
stack->x17 = 0x17171717;
stack->x18 = 0x18181818;
stack->x19 = 0x19191919;
stack->x20 = 0x20202020;
stack->x21 = 0x21212121;
stack->x22 = 0x22222222;
stack->x23 = 0x23232323;
stack->x24 = 0x24242424;
stack->x25 = 0x25252525;
stack->x26 = 0x26262626;
stack->x27 = 0x27272727;
stack->x28 = 0x28282828;
stack->x29 = 0x29292929;
stack->x30 = funcTskEntry; // x30: lr(link register)
stack->xzr = 0;
stack->elr = funcTskEntry;
stack->esr = 0;
stack->far = 0;
stack->spsr = 0x305; // EL1_SP1 | D | A | I | F
return stack;
}
OsTskContextInit
函数:
- 忽略
taskID
参数,因为在当前实现中没有使用它。 - 通过计算
topStack + stackSize
确定栈顶,并将其转换为TskContext
结构体的指针。 - 指针减去一个
TskContext
的大小,预留空间以保存任务的上下文。 - 初始化
TskContext
结构体中的所有寄存器值,包含通用寄存器、链路寄存器 (x30)、零寄存器 (xzr) 及异常处理相关的寄存器 (elr, esr, far)。 funcTskEntry
设置为任务入口函数地址,并将其分配给x30
和elr
。- 设置
spsr
(保存的程序状态寄存器) 为0x305
,表示进入 EL1 模式,屏蔽 DAIF 中断。
struct TskContext:
/*
* 任务上下文的结构体定义。
*/
struct TskContext {
/* *< 当前物理寄存器R0-R12 */
uintptr_t elr; // 返回地址
uintptr_t spsr;
uintptr_t far;
uintptr_t esr;
uintptr_t xzr;
uintptr_t x30;
uintptr_t x29;
uintptr_t x28;
uintptr_t x27;
uintptr_t x26;
uintptr_t x25;
uintptr_t x24;
uintptr_t x23;
uintptr_t x22;
uintptr_t x21;
uintptr_t x20;
uintptr_t x19;
uintptr_t x18;
uintptr_t x17;
uintptr_t x16;
uintptr_t x15;
uintptr_t x14;
uintptr_t x13;
uintptr_t x12;
uintptr_t x11;
uintptr_t x10;
uintptr_t x09;
uintptr_t x08;
uintptr_t x07;
uintptr_t x06;
uintptr_t x05;
uintptr_t x04;
uintptr_t x03;
uintptr_t x02;
uintptr_t x01;
uintptr_t x00;
};
任务入口函数
/*
* 描述:所有任务入口
*/
OS_SEC_L4_TEXT void OsTskEntry(TskHandle taskId)
{
struct TagTskCb *taskCb;
uintptr_t intSave;
(void)taskId;
taskCb = RUNNING_TASK;
taskCb->taskEntry(taskCb->args[OS_TSK_PARA_0], taskCb->args[OS_TSK_PARA_1], taskCb->args[OS_TSK_PARA_2],
taskCb->args[OS_TSK_PARA_3]);
// 调度结束后会开中断,所以不需要自己添加开中断
intSave = OsIntLock();
OS_TASK_LOCK_DATA = 0;
/* PRT_TaskDelete不能关中断操作,否则可能会导致它核发SGI等待本核响应时死等 */
OsIntRestore(intSave);
OsTaskExit(taskCb);
}
OsTskEntry
函数:
- 获取当前运行的任务控制块
taskCb
。 - 调用任务的入口函数
taskEntry
,并传递任务参数args
数组中的值。 - 关闭中断并保存当前中断状态,防止在关键操作期间中断干扰。
- 重置任务锁数据。
- 恢复中断状态,以确保后续操作的正常进行。
- 调用
OsTaskExit
函数,退出当前任务。
创建任务
// src/core/kernel/task/prt_task_internal.h
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE U32 OsTaskCreateChkAndGetTcb(struct TagTskCb **taskCb)
{
if (ListEmpty(&g_tskCbFreeList)) {
return OS_ERRNO_TSK_TCB_UNAVAILABLE;
}
// 先获取到该控制块
*taskCb = GET_TCB_PEND(OS_LIST_FIRST(&g_tskCbFreeList));
// 成功,从空闲列表中移除
ListDelete(OS_LIST_FIRST(&g_tskCbFreeList));
return OS_OK;
}
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE bool OsCheckAddrOffsetOverflow(uintptr_t base, size_t size)
{
return (base + size) < base;
}
OS_SEC_L4_TEXT U32 OsTaskCreateRsrcInit(U32 taskId, struct TskInitParam *initParam, struct TagTskCb *taskCb,
uintptr_t **topStackOut, uintptr_t *curStackSize)
{
U32 ret = OS_OK;
uintptr_t *topStack = NULL;
/* 查看用户是否配置了任务栈,如没有,则进行内存申请,并标记为系统配置,如有,则标记为用户配置。 */
if (initParam->stackAddr != 0) {
topStack = (void *)(initParam->stackAddr);
taskCb->stackCfgFlg = OS_TSK_STACK_CFG_BY_USER;
} else {
topStack = OsTskMemAlloc(initParam->stackSize);
if (topStack == NULL) {
ret = OS_ERRNO_TSK_NO_MEMORY;
} else {
taskCb->stackCfgFlg = OS_TSK_STACK_CFG_BY_SYS;
}
}
*curStackSize = initParam->stackSize;
if (ret != OS_OK) {
return ret;
}
*topStackOut = topStack;
return OS_OK;
}
OS_SEC_L4_TEXT void OsTskCreateTcbInit(uintptr_t stackPtr, struct TskInitParam *initParam,
uintptr_t topStackAddr, uintptr_t curStackSize, struct TagTskCb *taskCb)
{
/* Initialize the task's stack */
taskCb->stackPointer = (void *)stackPtr;
taskCb->args[OS_TSK_PARA_0] = (uintptr_t)initParam->args[OS_TSK_PARA_0];
taskCb->args[OS_TSK_PARA_1] = (uintptr_t)initParam->args[OS_TSK_PARA_1];
taskCb->args[OS_TSK_PARA_2] = (uintptr_t)initParam->args[OS_TSK_PARA_2];
taskCb->args[OS_TSK_PARA_3] = (uintptr_t)initParam->args[OS_TSK_PARA_3];
taskCb->topOfStack = topStackAddr;
taskCb->stackSize = curStackSize;
taskCb->taskSem = NULL;
taskCb->priority = initParam->taskPrio;
taskCb->taskEntry = initParam->taskEntry;
#if defined(OS_OPTION_EVENT)
taskCb->event = 0;
taskCb->eventMask = 0;
#endif
taskCb->lastErr = 0;
INIT_LIST_OBJECT(&taskCb->semBList);
INIT_LIST_OBJECT(&taskCb->pendList);
INIT_LIST_OBJECT(&taskCb->timerList);
return;
}
/*
* 描述:创建一个任务但不进行激活
*/
OS_SEC_L4_TEXT U32 OsTaskCreateOnly(TskHandle *taskPid, struct TskInitParam *initParam)
{
U32 ret;
U32 taskId;
uintptr_t intSave;
uintptr_t *topStack = NULL;
void *stackPtr = NULL;
struct TagTskCb *taskCb = NULL;
uintptr_t curStackSize = 0;
intSave = OsIntLock();
// 获取一个空闲的任务控制块
ret = OsTaskCreateChkAndGetTcb(&taskCb);
if (ret != OS_OK) {
OsIntRestore(intSave);
return ret;
}
taskId = taskCb->taskPid;
// 分配堆栈空间资源
ret = OsTaskCreateRsrcInit(taskId, initParam, taskCb, &topStack, &curStackSize);
if (ret != OS_OK) {
ListAdd(&taskCb->pendList, &g_tskCbFreeList);
OsIntRestore(intSave);
return ret;
}
// 栈初始化,就像刚发生过中断一样
stackPtr = OsTskContextInit(taskId, curStackSize, topStack, (uintptr_t)OsTskEntry);
// 任务控制块初始化
OsTskCreateTcbInit((uintptr_t)stackPtr, initParam, (uintptr_t)topStack, curStackSize, taskCb);
taskCb->taskStatus = OS_TSK_SUSPEND | OS_TSK_INUSE;
// 出参ID传出
*taskPid = taskId;
OsIntRestore(intSave);
return OS_OK;
}
/*
* 描述:创建一个任务但不进行激活
*/
OS_SEC_L4_TEXT U32 PRT_TaskCreate(TskHandle *taskPid, struct TskInitParam *initParam)
{
return OsTaskCreateOnly(taskPid, initParam);
}
-
OsTaskCreateChkAndGetTcb
函数:检查任务控制块(TCB)空闲列表是否为空。如果为空,返回错误码
OS_ERRNO_TSK_TCB_UNAVAILABLE
。如果不为空,从空闲列表中获取一个 TCB,删除该 TCB,并返回OS_OK
。 -
OsCheckAddrOffsetOverflow
函数:检查地址加偏移是否溢出。如果溢出,返回
true
;否则返回false
。 -
OsTskCreateTcbInit
函数:初始化任务控制块(TCB),设置任务的栈指针、参数、优先级、任务入口函数等。初始化任务的信号量阻塞列表、挂起列表和定时器列表。
-
OsTaskCreateOnly
函数先关闭中断并保存中断状态。获取一个空闲的任务控制块。分配任务栈资源。如果分配失败,将任务控制块重新加入空闲列表,恢复中断状态并返回错误码。
初始化任务栈,设置任务的上下文,就像刚发生中断一样。
初始化任务控制块。
恢复中断状态。
-
PRT_TaskCreate
函数调用
OsTaskCreateOnly
函数创建一个任务但不进行激活。
解挂任务
PRT_TaskResume 函数负责解挂任务,即将 Suspend 状态的任务转换到就绪状态。PRT_TaskResume 首先检查当前任务是否已创建且处于 Suspend 状态,如果处于 Suspend 状态,则清除 Suspend 位,然后调用 OsMoveTaskToReady 将任务控制块移到就绪队列中。
OsMoveTaskToReady 函数将任务加入就绪队列 g_runQueue,然后通过 OsTskSchedule 进行任务调度和切换(稍后描述)。 由于有新的任务就绪,所以需要通过OsTskSchedule 进行调度。这个位置一般称为调度点。对于优先级调度来说,找到所有的调度点并进行调度非常重要。
// src/core/kernel/task/prt_task_internal.h
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void OsMoveTaskToReady(struct TagTskCb *taskCb)
{
if (TSK_STATUS_TST(taskCb, OS_TSK_DELAY_INTERRUPTIBLE)) {
/* 可中断delay, 属于定时等待的任务时候,去掉其定时等待标志位*/
if (TSK_STATUS_TST(taskCb, OS_TSK_TIMEOUT)) {
OS_TSK_DELAY_LOCKED_DETACH(taskCb);
}
TSK_STATUS_CLEAR(taskCb, OS_TSK_TIMEOUT | OS_TSK_DELAY_INTERRUPTIBLE);
}
/* If task is not blocked then move it to ready list */
if ((taskCb->taskStatus & OS_TSK_BLOCK) == 0) {
OsTskReadyAdd(taskCb);
if ((OS_FLG_BGD_ACTIVE & UNI_FLAG) != 0) {
OsTskSchedule();
return;
}
}
}
/*
* 描述解挂任务
*/
OS_SEC_L2_TEXT U32 PRT_TaskResume(TskHandle taskPid)
{
uintptr_t intSave;
struct TagTskCb *taskCb = NULL;
// 获取 taskPid 对应的任务控制块
taskCb = GET_TCB_HANDLE(taskPid);
intSave = OsIntLock();
if (TSK_IS_UNUSED(taskCb)) {
OsIntRestore(intSave);
return OS_ERRNO_TSK_NOT_CREATED;
}
if (((OS_TSK_RUNNING & taskCb->taskStatus) != 0) && (g_uniTaskLock != 0)) {
OsIntRestore(intSave);
return OS_ERRNO_TSK_ACTIVE_FAILED;
}
/* If task is not suspended and not in interruptible delay then return */
if (((OS_TSK_SUSPEND | OS_TSK_DELAY_INTERRUPTIBLE) & taskCb->taskStatus) == 0) {
OsIntRestore(intSave);
return OS_ERRNO_TSK_NOT_SUSPENDED;
}
TSK_STATUS_CLEAR(taskCb, OS_TSK_SUSPEND);
/* If task is not blocked then move it to ready list */
OsMoveTaskToReady(taskCb);
OsIntRestore(intSave);
return OS_OK;
}
-
OsMoveTaskToReady
函数处理处于
OS_TSK_DELAY_INTERRUPTIBLE
状态的任务。如果任务处于定时等待状态(
OS_TSK_TIMEOUT
),解除其定时等待。清除任务的
OS_TSK_TIMEOUT
和OS_TSK_DELAY_INTERRUPTIBLE
状态。如果任务未被阻塞(
OS_TSK_BLOCK
),将其移动到就绪列表。如果系统处于后台激活状态,触发任务调度。
-
PRT_TaskResume
函数恢复挂起的任务。
如果任务未被创建或处于活动状态且系统任务锁定,返回相应的错误码。
如果任务未挂起或不处于可中断延迟状态,返回错误码。
清除任务的挂起状态,将其移动到就绪列表。
任务管理系统初始化与启动
/*
* 描述:AMP任务初始化
*/
extern U32 g_threadNum;
extern void *OsMemAllocAlign(U32 mid, U8 ptNo, U32 size, U8 alignPow);
OS_SEC_L4_TEXT U32 OsTskAMPInit(void)
{
uintptr_t size;
U32 idx;
// 简单处理,分配4096,存OS_MAX_TCB_NUM个任务。#define OS_MAX_TCB_NUM (g_tskMaxNum + 1 + 1) // 1个IDLE,1个无效任务
g_tskCbArray = (struct TagTskCb *)OsMemAllocAlign((U32)OS_MID_TSK, 0,
4096, OS_TSK_STACK_SIZE_ALLOC_ALIGN);
if (g_tskCbArray == NULL) {
return OS_ERRNO_TSK_NO_MEMORY;
}
g_tskMaxNum = 4096 / sizeof(struct TagTskCb) - 2;
// 1为Idle任务
g_threadNum += (g_tskMaxNum + 1);
// 初始化为全0
for(int i = 0; i < OS_MAX_TCB_NUM - 1; i++)
g_tskCbArray[i] = {0};
g_tskBaseId = 0;
// 将所有控制块加入g_tskCbFreeList链表,且设置控制块的初始状态和任务id
INIT_LIST_OBJECT(&g_tskCbFreeList);
for (idx = 0; idx < OS_MAX_TCB_NUM - 1; idx++) {
g_tskCbArray[idx].taskStatus = OS_TSK_UNUSED;
g_tskCbArray[idx].taskPid = (idx + g_tskBaseId);
ListTailAdd(&g_tskCbArray[idx].pendList, &g_tskCbFreeList);
}
/* 在初始化时给RUNNING_TASK的PID赋一个合法的无效值,放置在Trace使用时出现异常 */
RUNNING_TASK = OS_PST_ZOMBIE_TASK;
/* 在初始化时给RUNNING_TASK的PID赋一个合法的无效值,放置在Trace使用时出现异常 */
RUNNING_TASK->taskPid = idx + g_tskBaseId;
INIT_LIST_OBJECT(&g_runQueue);
/* 增加OS_TSK_INUSE状态,使得在Trace记录的第一条信息状态为OS_TSK_INUSE(创建状态) */
RUNNING_TASK->taskStatus = (OS_TSK_INUSE | OS_TSK_RUNNING);
RUNNING_TASK->priority = OS_TSK_PRIORITY_LOWEST + 1;
return OS_OK;
}
/*
* 描述:任务初始化
*/
OS_SEC_L4_TEXT U32 OsTskInit(void)
{
U32 ret;
ret = OsTskAMPInit();
if (ret != OS_OK) {
return ret;
}
return OS_OK;
}
/*
* 描述:Idle背景任务
*/
OS_SEC_TEXT void OsTskIdleBgd(void)
{
while (TRUE);
}
/*
* 描述:ilde任务创建.
*/
OS_SEC_L4_TEXT U32 OsIdleTskAMPCreate(void)
{
U32 ret;
TskHandle taskHdl;
struct TskInitParam taskInitParam = {0};
char tskName[OS_TSK_NAME_LEN] = "IdleTask";
/* Create background task. */
taskInitParam.taskEntry = (TskEntryFunc)OsTskIdleBgd;
taskInitParam.stackSize = 4096;
// taskInitParam.name = tskName;
taskInitParam.taskPrio = OS_TSK_PRIORITY_LOWEST;
taskInitParam.stackAddr = 0;
/* 任务调度的必要条件就是有背景任务,此时背景任务还没有创建,因此不会发生任务切换 */
ret = PRT_TaskCreate(&taskHdl, &taskInitParam);
if (ret != OS_OK) {
return ret;
}
ret = PRT_TaskResume(taskHdl);
if (ret != OS_OK) {
return ret;
}
IDLE_TASK_ID = taskHdl;
return ret;
}
/*
* 描述:激活任务管理
*/
OS_SEC_L4_TEXT U32 OsActivate(void)
{
U32 ret;
ret = OsIdleTskAMPCreate();
if (ret != OS_OK) {
return ret;
}
OsTskHighestSet();
/* Indicate that background task is running. */
UNI_FLAG |= OS_FLG_BGD_ACTIVE | OS_FLG_TSK_REQ;
/* Start Multitasking. */
OsFirstTimeSwitch();
// 正常情况不应执行到此
return OS_ERRNO_TSK_ACTIVE_FAILED;
}
-
OsTskAMPInit
函数任务控制块(TCB)数组内存并初始化。
将所有任务控制块加入空闲列表。
初始化运行中的任务。
-
OsTskInit
函数调用
OsTskAMPInit
初始化任务管理系统。 -
OsTskIdleBgd
函数定义空闲任务,进入无限循环。当系统没有其他任务需要运行时,会执行空闲任务IDLE
-
OsIdleTskAMPCreate
函数设置任务初始化参数。
调用
PRT_TaskCreate
创建空闲任务。调用
PRT_TaskResume
恢复空闲任务。保存空闲任务句柄
IDLE_TASK_ID
。 -
OsActivate
函数创建空闲任务并启动任务管理系统。
主要步骤:
- 调用
OsIdleTskAMPCreate
创建空闲任务。 - 调用
OsTskHighestSet
设置最高优先级任务。 - 设置后台任务和任务请求标志
UNI_FLAG
。 - 调用
OsFirstTimeSwitch
启动多任务调度。 - 返回错误码(不应执行到此,出现错误)。
- 调用
任务状态转换
#include "prt_task_external.h"
#include "prt_typedef.h"
#include "os_attr_armv8_external.h"
#include "prt_asm_cpu_external.h"
#include "os_cpu_armv8_external.h"
#include "prt_amp_task_internal.h"
OS_SEC_BSS struct TagOsRunQue g_runQueue; // 核的局部运行队列
/*
* 描述:将任务添加到就绪队列, 调用者确保不会换核,并锁上rq
*/
OS_SEC_L0_TEXT void OsTskReadyAdd(struct TagTskCb *task)
{
struct TagOsRunQue *rq = &g_runQueue;
TSK_STATUS_SET(task, OS_TSK_READY);
OS_TSK_EN_QUE(rq, task, 0);
OsTskHighestSet();
return;
}
/*
* 描述:将任务从就绪队列中移除,关中断外部保证
*/
OS_SEC_L0_TEXT void OsTskReadyDel(struct TagTskCb *taskCb)
{
struct TagOsRunQue *runQue = &g_runQueue;
TSK_STATUS_CLEAR(taskCb, OS_TSK_READY);
OS_TSK_DE_QUE(runQue, taskCb, 0);
OsTskHighestSet();
return;
}
// src/core/kernel/task/prt_task_del.c
/*
* 描述:任务结束退出
*/
OS_SEC_L4_TEXT void OsTaskExit(struct TagTskCb *tsk)
{
uintptr_t intSave = OsIntLock();
OsTskReadyDel(tsk);
OsTskSchedule();
OsIntRestore(intSave);
}
-
OsTskReadyAdd
函数将任务添加到就绪队列。
主要步骤:
- 获取运行队列
rq
。 - 设置任务状态为
OS_TSK_READY
。 - 将任务加入就绪队列
OS_TSK_EN_QUE
。 - 调用
OsTskHighestSet
更新最高优先级任务。
- 获取运行队列
-
OsTskReadyDel
函数将任务从就绪队列中移除。
主要步骤:
- 获取运行队列
runQue
。 - 清除任务状态中的
OS_TSK_READY
。 - 将任务从就绪队列移除
OS_TSK_DE_QUE
。 - 调用
OsTskHighestSet
更新最高优先级任务。
- 获取运行队列
-
OsTaskExit
函数处理任务退出操作。
主要步骤:
- 关中断并保存中断状态
OsIntLock
。 - 将任务从就绪队列中移除
OsTskReadyDel
。 - 调用
OsTskSchedule
进行任务调度。 - 恢复中断状态
OsIntRestore
。
- 关中断并保存中断状态
调度与切换
prt_sched_single.c:
#include "prt_task_external.h"
#include "os_attr_armv8_external.h"
#include "prt_asm_cpu_external.h"
#include "os_cpu_armv8_external.h"
/*
* 描述:任务调度,切换到最高优先级任务
*/
OS_SEC_TEXT void OsTskSchedule(void)
{
/* 外层已经关中断 */
/* Find the highest task */
OsTskHighestSet();
/* In case that running is not highest then reschedule */
if ((g_highestTask != RUNNING_TASK) && (g_uniTaskLock == 0)) {
UNI_FLAG |= OS_FLG_TSK_REQ;
/* only if there is not HWI or TICK the trap */
if (OS_INT_INACTIVE) { // 不在中断上下文中,否则应该在中断返回时切换
OsTaskTrap();
return;
}
}
return;
}
/*
* 描述: 调度的主入口
* 备注: NA
*/
OS_SEC_L0_TEXT void OsMainSchedule(void)
{
struct TagTskCb *prevTsk;
if ((UNI_FLAG & OS_FLG_TSK_REQ) != 0) {
prevTsk = RUNNING_TASK;
/* 清除OS_FLG_TSK_REQ标记位 */
UNI_FLAG &= ~OS_FLG_TSK_REQ;
RUNNING_TASK->taskStatus &= ~OS_TSK_RUNNING;
g_highestTask->taskStatus |= OS_TSK_RUNNING;
RUNNING_TASK = g_highestTask;
}
// 如果中断没有驱动一个任务ready,直接回到被打断的任务
OsTskContextLoad((uintptr_t)RUNNING_TASK);
}
/*
* 描述: 系统启动时的首次任务调度
* 备注: NA
*/
OS_SEC_L4_TEXT void OsFirstTimeSwitch(void)
{
OsTskHighestSet();
RUNNING_TASK = g_highestTask;
TSK_STATUS_SET(RUNNING_TASK, OS_TSK_RUNNING);
OsTskContextLoad((uintptr_t)RUNNING_TASK);
// never get here
return;
}
-
OsTskSchedule
函数执行任务调度,切换到最高优先级任务。
主要步骤:
- 调用
OsTskHighestSet
找到最高优先级任务。 - 如果当前运行的任务不是最高优先级任务且任务未锁定,设置
OS_FLG_TSK_REQ
标志。 - 如果不在中断上下文中,调用
OsTaskTrap
执行任务切换。
- 调用
-
OsMainSchedule
函数调度的主入口,切换到最高优先级任务。
主要步骤:
- 检查
OS_FLG_TSK_REQ
标志。 - 如果标志被设置,执行任务切换:
- 清除
OS_FLG_TSK_REQ
标志。 - 更新当前任务和最高优先级任务的状态。
- 切换到最高优先级任务。
- 清除
- 调用
OsTskContextLoad
恢复任务上下文。
- 检查
-
OsFirstTimeSwitch
函数系统启动时的首次任务调度。
主要步骤:
- 调用
OsTskHighestSet
找到最高优先级任务。 - 设置当前运行任务为最高优先级任务并更新其状态。
- 调用
OsTskContextLoad
加载最高优先级任务的上下文。
- 调用
OsTskHighestSet 函数在 src/include/prt_task_external.h 中被定义:
/*
* 模块内内联函数定义
*/
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void OsTskHighestSet(void)
{
struct TagTskCb *taskCb = NULL;
struct TagTskCb *savedTaskCb = NULL;
// 遍历g_runQueue队列,查找优先级最高的任务
LIST_FOR_EACH(taskCb, &g_runQueue, struct TagTskCb, pendList) {
// 第一个任务,直接保存到savedTaskCb
if(savedTaskCb == NULL) {
savedTaskCb = taskCb;
continue;
}
// 比较优先级,值越小优先级越高
if(taskCb->priority < savedTaskCb->priority){
savedTaskCb = taskCb;
}
}
g_highestTask = savedTaskCb;
}
功能:
- 遍历运行队列
g_runQueue
,找到优先级最高的任务,并将其指针保存在g_highestTask
中。
主要步骤:
- 使用宏
LIST_FOR_EACH
遍历g_runQueue
中的所有任务控制块。这个宏通常定义为一个循环,遍历链表中的每个元素。 - 如果
savedTaskCb
为NULL
,表示这是第一个遍历到的任务,直接将其保存到savedTaskCb
。 - 对于后续的每个任务,比较其优先级(
taskCb->priority
)与当前保存的最高优先级任务的优先级(savedTaskCb->priority
)。 - 如果当前任务的优先级更高(值越小优先级越高),则更新
savedTaskCb
为当前任务。 - 遍历完成后,将
savedTaskCb
中保存的最高优先级任务指针赋值给全局变量g_highestTask
。
在 src/bsp/prt_vector.S 实现 OsTskContextLoad,OsContextLoad 和 OsTaskTrap:
/*
* 描述: void OsTskContextLoad(uintptr_t stackPointer)
*/
.globl OsTskContextLoad
.type OsTskContextLoad, @function
.align 4
OsTskContextLoad:
ldr X0, [X0]
mov SP, X0 // X0 is stackPointer
OsContextLoad:
ldp x2, x3, [sp],#16
add sp, sp, #16 // 跳过far, esr, HCR_EL2.TRVM==1的时候,EL1不能写far, esr
msr spsr_el1, x3
msr elr_el1, x2
dsb sy
isb
RESTORE_EXC_REGS // 恢复上下文
eret //从异常返回
/*
* 描述: Task调度处理函数。 X0 is g_runningTask
*/
.globl OsTaskTrap
.type OsTaskTrap, @function
.align 4
OsTaskTrap:
LDR x1, =g_runningTask /* OsTaskTrap是函数调用过来,x0 x1寄存器是caller save,此处能直接使用 */
LDR x0, [x1] /* x0 is the &g_pRunningTask->sp */
SAVE_EXC_REGS
/* TskTrap需要保存CPSR,由于不能直接访问,需要拼接获取当前CPSR入栈 */
mrs x3, DAIF /* CPSR:DAIF 4种事件的mask, bits[9:6] */
mrs x2, NZCV /* NZCV:Condition flags, bits[31:28] */
orr x3, x3, x2
orr x3, x3, #(0x1U << 2) /* 当前的 exception level,bits[3:2] 00:EL0,01:El1,10:El2,11:EL3 */
orr x3, x3, #(0x1U) /* 当前栈的选择,bits[0] 0:SP_EL0,1:SP_ELX */
mov x2, x30 // 用返回地址x30作为现场恢复点
sub sp, sp, #16 // 跳过esr_el1, far_el1, 异常时才有用
stp x2, x3, [sp,#-16]!
// 存入SP指针到g_pRunningTask->sp
mov x1, sp
str x1, [x0] // x0 is the &g_pRunningTask->sp
B OsMainSchedule
loop1:
B loop1
OsTskContextLoad
函数加载任务上下文,恢复 CPU 寄存器的状态,并通过eret
指令从异常返回。OsTaskTrap
函数保存当前任务的上下文,并调用OsMainSchedule
进行任务调度,选择下一个任务。
任务调度测试
作业
实现分时调度
分时调度有多种,这里我选择的是轮转调度。我们主要修改的是调度与切换模块的prt_sched_single.c文件。
- 添加
ListPopAndPushFirst
函数
/*
* 描述: 从队列中取出第一个元素,然后插入到队列的最后
*/
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void ListPopAndPushFirst(struct TagListObject *listObject)
{
struct TagTskCb *taskCb = NULL;
taskCb = LIST_FIRST_ELEM(listObject, struct TagTskCb, pendList);
OsDequeueTaskAmp(&g_runQueue, taskCb);
OsEnqueueTaskAmp(&g_runQueue, taskCb);
}
这个函数用于从队列中取出第一个元素,然后将其插入到队列的最后。OsDequeueTaskAmp
用于删除队列第一个元素的位置, OsEnqueueTaskAmp
用于将原先的第一个元素加到队尾。
- 添加
OsTskFIFOSet
函数
/*
* 描述: 根据FIFO调度算法设置当前任务
*/
OS_SEC_ALW_INLINE INLINE void OsTskFIFOSet(void)
{
struct TagTskCb *nextTaskCb = NULL;
nextTaskCb = LIST_FIRST_ELEM(&g_runQueue, struct TagTskCb, pendList);
if (nextTaskCb->taskPid == g_idleTaskId)
{
ListPopAndPushFirst(&g_runQueue);
nextTaskCb = LIST_FIRST_ELEM(&g_runQueue, struct TagTskCb, pendList);
}
g_highestTask = nextTaskCb;
}
这个函数的主要目的是根据FIFO调度算法设置当前任务。它首先从运行队列中获取第一个任务,如果这个任务是空闲任务,那么它会将这个任务移动到队列的末尾,并设置下一个任务为当前任务。
- 添加
OsTimerInterrupt
函数
/*
* 描述: 定时器中断处理函数
*/
OS_SEC_TEXT void OsTimerInterrupt(void)
{
OsGicIntClear(30); // 必须清除中断,否则系统会一直处于中断状态,就无法再次进入中断
if ((OS_FLG_BGD_ACTIVE & UNI_FLAG) == 0)
{
return;
}
if (PRT_TickGetCount() - taskStartTick > OS_TASK_TIME_SLICE_TICKS)
{
if ((RUNNING_TASK->taskStatus & OS_TSK_READY) != 0)
{ // Fix the comparison operator
ListPopAndPushFirst(&g_runQueue);
}
OsTskSchedule();
}
}
这个函数是定时器中断处理函数。当定时器中断发生时,它会清除中断,并检查是否需要进行任务调度。如果从上次任务开始到现在的时间超过了任务的时间片,那么它会将当前任务移动到运行队列的末尾,并调用OsTskSchedule
进行任务调度。将其放在时钟处理函数中:
OS_SEC_TEXT void OsTickDispatcher(void)
{
uintptr_t intSave;
intSave = OsIntLock();
g_uniTicks++;
U64 cycle = g_timerFrequency / OS_TICK_PER_SECOND;
OS_EMBED_ASM("MSR CNTP_TVAL_EL0, %0" : : "r"(cycle) : "memory", "cc"); // 设置中断周期
OsTimerInterrupt();
OsIntRestore(intSave);
}
- 修改
OsMainSchedule
函数
/*
* 描述: 调度的主入口
* 备注: NA
*/
OS_SEC_L0_TEXT void OsMainSchedule(void)
{
struct TagTskCb *prevTsk;
if ((UNI_FLAG & OS_FLG_TSK_REQ) != 0)
{
prevTsk = RUNNING_TASK;
/* 清除OS_FLG_TSK_REQ标记位 */
UNI_FLAG &= ~OS_FLG_TSK_REQ;
RUNNING_TASK->taskStatus &= ~OS_TSK_RUNNING;
g_highestTask->taskStatus |= OS_TSK_RUNNING;
RUNNING_TASK = g_highestTask;
taskStartTick = PRT_TickGetCount();
}
// 如果中断没有驱动一个任务ready,直接回到被打断的任务
OsTskContextLoad((uintptr_t)RUNNING_TASK);
}
添加了一句taskStartTick = PRT_TickGetCount();
,用于更新任务开始的时间点,便于时间处理函数中对运行时间与时间片的比较。
- 修改
OsFirstTimeSwitch
函数
/*
* 描述: 系统启动时的首次任务调度
* 备注: NA
*/
OS_SEC_L4_TEXT void OsFirstTimeSwitch(void)
{
OsTskFIFOSet();
RUNNING_TASK = g_highestTask;
taskStartTick = PRT_TickGetCount();
TSK_STATUS_SET(RUNNING_TASK, OS_TSK_RUNNING);
OsTskContextLoad((uintptr_t)RUNNING_TASK);
// never get here
return;
}
修改启动时调用的以FIFO算法为基础的调用函数。
同时在main
函数中,添加:
void Delay(U64 delay_ms)
{
U64 end_time = PRT_TickGetCount() + delay_ms;
while (PRT_TickGetCount() < end_time)
;
}
void Test1TaskEntry()
{
PRT_Printf("task 1 run \n");
U32 cnt = 5;
while (cnt > 0)
{
Delay(200);
PRT_Printf("task 1 run \n");
cnt--;
}
}
void Test2TaskEntry()
{
PRT_Printf("task 2 run \n");
U32 cnt = 5;
while (cnt > 0)
{
Delay(200);
PRT_Printf("task 2 run \n");
cnt--;
}
}
Delay函数用于在指定的毫秒数内阻塞当前任务。它通过一个while循环和一个计时器实现,直到达到指定的延迟时间。
运行验证结果:
标签:TSK,taskCb,uintptr,任务,HNU,lab6,2022,OS,struct From: https://blog.csdn.net/2301_76658831/article/details/143325287