嵌入式实时操作系统10——系统时钟节拍

Posted 2022-02-01 liyinuo2017

1.系统节拍是什么

时间管理在操作系统内核中占有非常重要的地位，操作系统内核中有大量基于时间驱动的功能。有些任务是需要周期执行，比如一个软件定时器需要一秒钟周期性运行100次；有些功能任务需要延时一段时间后再运行，比如一个传感器读取操作需要延时2000ms；比如操作系统内核也需要对运行时间进行计算，统计不同的任务运行时间和处理器利用情况。

绝大多数操作系统内核需要一个周期性的时钟源，这个时钟源称之为时钟节拍。为了生成时钟节拍，往往需要使用一个硬件定时器，配置硬件定时器产生一个频率为10~1000Hz之间的中断，当时钟中断发生时，中断服务程序调用操作系统内核中一个特殊程序：系统时钟节拍服务。

操作系统内核必须在硬件的帮助下才能计算和管理时间。时钟节拍中断并不是必须由硬件定时器产生，也可以由其它周期性时钟来源，如电力系统种频率为50Hz的时钟源。

系统时钟节拍可以设置成10Hz,也可以设置成1000Hz。时钟节拍值越大意味着硬件定时器产生的中断越频繁，系统时钟节拍服务执行得就越频繁。

高时钟节拍的优势：

1、提高操作系统内核时间管理精度
2、提高任务抢占准确度

比如10Hz的时钟节拍的执行粒度为100ms，系统中的周期性事件最快为100ms一次，不可能由更高的精度了。比如1000Hz的时钟节拍，此时的执行粒度就提高了100倍，此时系统中的周期性事件最快为1ms一次，时间精度可以达到1ms。

高时钟节拍的优劣势：
时钟节拍越高，意味着时钟中断越频繁，处理器需要花时间执行中断程序，如果时钟节拍大到一定程度比如1MHz，此时处理器将会一直周期性的执行时钟中断程序，而用户程序将几乎得不到执行。

2.系统时钟节拍服务实现

系统时钟节拍的实现依靠以下两个部分：

1、硬件定时器
2、系统时钟节拍服务

硬件定时器用于产生中断，配置硬件定时器产生一个频率为10~1000Hz之间的中断，硬件定时器周期性触发中断，当定时器中断发生时处理执行定时器中断程序。

系统时钟节拍服务用于执行系统时间管理相关操作，系统时钟节拍服务被定时器中断程序调用。系统时钟节拍服务完成了以下操作：
1、更新系统节拍时间。
2、更新等待表和就绪表。
3、处理时间片轮询。
4、切换任务。

更新系统节拍时间
每次定时器中断调用系统时钟节拍服务时，完成系统节拍时间更新，将系统节拍时间计数值加1，通常情况下系统节拍时间计数值为一个32位的变量，时间计数值自加时需要考虑值溢出情况。

更新等待表和就绪表
每次进入系统时钟节拍服务更新系统节拍时间后，操作系统内核检查等待表是否有任务完成等待，如果有任务完成等待，操作系统内核会将任务从等待表中移除，并将该任务添加到就绪表中，完成更新等待表和就绪表。

处理时间片轮询
每次进入系统时钟节拍服务，操作系统内核会对当前运行优先级中的多个任务进行时间片轮询操作。

切换任务
每次进入系统时钟节拍服务等待表和就绪表更新后，若有更高优先级任务就绪，操作系统内核将启动任务切换。

3.FreeRTOS系统时钟节拍实现

分析对象为：cortex-m4硬件平台，FreeRTOS操作系统。
系统时钟节拍实现依靠cortex-m4中的SysTick硬件定时器产生时钟中断，时钟中断服务为：

SysTick_Handler

FreeRTOS操作系统中的系统时钟节拍服务为

xTaskIncrementTick

SysTick定时器配置成1ms中断，配置函数实现如下：

/*配置定时器      1ms中断 */
HAL_SYSTICK_Config(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/8000);
HAL_SYSTICK_CLKSourceConfig(SYSTICK_CLKSOURCE_HCLK_DIV8);

定时器中断程序SysTick_Handler实现如下：

#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler
	void xPortSysTickHandler( void )
	
		/* 屏蔽相关中断 */
		vPortRaiseBASEPRI();
		
			/* 调用系统时钟节拍服务 */
			if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
			
				/* 如果由高任务就绪，切换任务*/
				portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
			
		
		/* 开启相关中断 */
		vPortClearBASEPRIFromISR();
	

xTaskIncrementTick为系统时钟节拍服务，完成更新系统节拍时间，更新等待表和就绪表，处理时间片轮询，切换任务，代码实现如下：

BaseType_t xTaskIncrementTick( void )

	TCB_t * pxTCB;
	TickType_t xItemValue;
	BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;

	traceTASK_INCREMENT_TICK( xTickCount );
	/* 调度器是否打开 */
	if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE )
	
		/* 系统节拍计数器xTickCount 镜像 */
		const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + ( TickType_t ) 1;
		/* 系统节拍计数器xTickCount 加1*/
		xTickCount = xConstTickCount;
		/* 系统节拍计数器xTickCount 是否溢出*/
		if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U ) 
		
			taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
		
		else
		
			mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
		

		if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
		
			
			for( ;; )/*  将完成延时等待的相关任务移除等待表  */
			
				/* 等待表是否为空*/
				if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE )
				
					/* 等待表为空 则将xNextTaskUnblockTime赋值成最大值   */
					xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; 
					break;
				
				else/* 等待表不为空*/
									
					/*读取等待表中的第一个任务对象
					等待表队列时按照等待时间大小进行排序，等待表队列的第一个对象就是最小等待时间对象    */
					pxTCB = listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );
					/* 读取任务的延时完成时间  */
					xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );
					/* 比较延时完成时间和当前时间  */
					if( xConstTickCount < xItemValue )
					
						/* 比较延时完成时间未到 退出for循环 */
						xNextTaskUnblockTime = xItemValue;
						break;
					
					else
					
						mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
					

					/* 将任务从等待表中移除*/
					( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );

					/* 将任务从等待事情的挂起表中移除*/
					if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL )
					
						( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );
					
					else
					
						mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
					

					/* 将任务添加到就绪表中*/
					prvAddTaskToReadyList( pxTCB );

					#if (  configUSE_PREEMPTION == 1 )
					
						/* 如果等待中的任务的优先级高于当前任务
						触发任务切换*/
						if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority )
						
							xSwitchRequired = pdTRUE;/* 设置任务切换标志 */
						
						else
						
							mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
						
					
					#endif 
				
			
		

		/*  任务时间片轮询功能  */
		#if ( ( configUSE_PREEMPTION == 1 ) && ( configUSE_TIME_SLICING == 1 ) )
		
			/*  每次节拍进行一次当前优先级任务轮询操作
			当前优先级下任务数量大于1时执行轮询操作 */
			if( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ pxCurrentTCB->uxPriority ] ) ) > ( UBaseType_t ) 1 )
			
				xSwitchRequired = pdTRUE;/* 设置任务切换标志 */
			
			else
			
				mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
			
		
		#endif 

		#if ( configUSE_TICK_HOOK == 1 )
		
			/* tick 钩子函数 */
			if( uxPendedTicks == ( UBaseType_t ) 0U )
			
				vApplicationTickHook();
			
			else
			
				mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
			
		
		#endif 
	
	else
	
		++uxPendedTicks;

		/* tick 钩子函数 */
		#if ( configUSE_TICK_HOOK == 1 )
		
			vApplicationTickHook();
		
		#endif
	

	#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 )
	
		if( xYieldPending != pdFALSE )
		
			xSwitchRequired = pdTRUE;
		
		else
		
			mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
		
	
	#endif 

	return xSwitchRequired;

未完待续…
实时操作系统系列将持续更新
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作者：李巍
Github：liyinuoman2017