从零开始构建嵌入式实时操作系统3——任务状态切换

1.前言

一个行者问老道长&＃xff1a;“您得道前&＃xff0c;做什么&＃xff1f;”老道长&＃xff1a;“砍柴担水做饭。”行者问&＃xff1a;“那得道后呢&＃xff1f;”老道长&＃xff1a;“砍柴担水做饭。”行者又问&＃xff1a;“那何谓得道&＃xff1f;”老道长&＃xff1a;“得道前&＃xff0c;砍柴时惦记着挑水&＃xff0c;挑水时惦记着做饭&＃xff1b;得道后&＃xff0c;砍柴即砍柴&＃xff0c;担水即担水&＃xff0c;做饭即做饭。”

是不是茅塞顿开&＃xff1f;生活中许多至高至深的道理往往都是含蕴在一些极其简单的思想中&＃xff0c;正所谓大道至简。完美的常常是最简单的&＃xff0c;简单就是聪明&＃xff0c;简单是高级形式的复杂&＃xff0c;简到极致&＃xff0c;便是大智。厉害的人往往是把复杂的问题简单化&＃xff0c;世上再大再难的事情&＃xff0c;只要“一分为二”就可以分解成许多简单的事。

在软件设计五大原则中的单一原则&＃xff0c;与大道至简思想不谋而合。单一原则的核心思想是让软件模式结构简单&＃xff0c;每个模块只实现一个功能。

2.设计背景

在enuo v0.02版本中增加了task.c 和 interface.c两个文件&＃xff1a;
1、task.c 中包含了与任务操作相关的函数&＃xff0c;如任务创建函数task_create和系统启动调度函数enuo_schedule。
2、interface.c中包含了与处理器硬件相关的操作&＃xff0c;增强了系统的移植性。
在enuo v0.02版本中增加了任务抽象对象&＃xff0c;任务相关的数据全部封装到任务抽象对象中。与此同时&＃xff0c;在enuo v0.02版本中增加了链表数据结构&＃xff0c;任务链表的作用是将多个任务串联起来&＃xff0c;能高效地实现任务检索和操作。

3.设计目标

目前enuo系统可以创建任务&＃xff0c;创建的任务在就绪表中&＃xff0c;系统定时器可以轮询调度就绪表中的任务。显然任务创建后除了处于运行状态&＃xff0c;任务还需要支持停止。因此这个版本为enuo增加一个停止表。

任务有两种状态就绪状态和停止状态&＃xff0c;处理器会轮流执行就绪状态下的任务&＃xff0c;停止状态下的任务不会得到运行。

在enuo 系统中就绪表和停止表都需要进行链表操作&＃xff0c;因此完善链表操作并将链表独立出一个C文件&＃xff0c;遵守单一原则。

4.设计环境

硬件环境是使用STM32F401RE为核心的自制开发板&＃xff0c;软件环境是使用的KEIL V5.2 开发工具。

5.设计过程

5.1链表操作

链表需要实现两个基本操作&＃xff1a;
1、按照需顺序插入链表
2、从链表中移除一个节点

链表需要实现排序操作&＃xff0c;因此在链表结构中增加一个排序值sort_value&＃xff0c;新链表新数据结构如下&＃xff1a;

struct list_node_def
{struct list_node_def * next; /* 指向下一个列表节点 */struct list_node_def * previous; /* 指向上一个列表节点 */void *owner; /* 指向链表节点拥有者 */uint32_t sort_value; /* 链表排序数值*/
};


链表的初始化&＃xff0c;插入和删除函数如下&＃xff1a;

/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : list_initialise
* &＃64;描述 : 列表初始化
**********************************************************************************************************/
void list_initialise( list_t * const list )
{/* 滑动指针指向表头 */list->sliding_pointer &＃61; &list->head ; /* 表头的前后指针设置为NULL */list->head.next &＃61; &list->head; list->head.previous &＃61; &list->head;/* 表头的排序值为0 */list->head.sort_value &＃61; MIN_VALUE;
}
/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : list_sort_insert
* &＃64;描述 : 按照sort_value值升序插入列表
**********************************************************************************************************/
uint8_t list_sort_insert( list_t * const list , list_node_t * const new_node)
{list_node_t *seek;const uint32_t current_value &＃61; new_node->sort_value;uint16_t i &＃61; 0;/* 按照 sort_value值 找到对应位置 */for( seek &＃61; & list->head ; seek->next->sort_value <&＃61; current_value; seek &＃61; seek->next ) {/* 限制查找次数 */if( (i&＃43;&＃43;) > 255 )return 0;}/* 新节点插入列表 */new_node->next &＃61; seek->next;new_node->next->previous &＃61; new_node;new_node->previous &＃61; seek;seek->next &＃61; new_node;return 1;
}
/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : list_remove
* &＃64;描述 : 列表删除一个节点
**********************************************************************************************************/
void list_remove( list_node_t * const remove_node )
{/*删除节点 */remove_node->next->previous &＃61; remove_node->previous;remove_node->previous->next &＃61; remove_node->next;
}


list_sort_insert插入是参考sort_value数值进行升序排列。

列表中有一个滑动指针sliding_pointer&＃xff0c;滑动指针指向当前节点&＃xff0c;我们构造一个操作&＃xff1a;插入链表时&＃xff0c;将数据插入滑动指针的末尾。这种操作可以简化轮询任务时将新任务加入到链表尾部&＃xff0c;代码如下&＃xff1a;

/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : list_insert_sliding_pointer_end
* &＃64;描述 : 节点插入滑动指针指向的后
**********************************************************************************************************/
void list_insert_sliding_pointer_end( list_t * const list , list_node_t * const new_node )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const seek &＃61; list->sliding_pointer;/* 节点插入滑动指针指向的后 */new_node->next &＃61; seek;new_node->previous &＃61; seek->previous;seek->previous->next &＃61; new_node;seek->previous &＃61; new_node;}


使用list_insert_sliding_pointer_end函数插入一个节点后的链表关系图如下&＃xff1a;

使用list_insert_sliding_pointer_end函数再插入节点后的链表关系图如下&＃xff1a;

使用list_remove函数移除一个节点后的链表关系图如下&＃xff1a;

5.2任务操作

任务有以下三个个基本操作&＃xff1a;
1、创建一个任务
2、停止一个指定任务
3、恢复一个指定任务

为了实现停止任务&＃xff0c;需要创建一个延时等待列表&＃xff0c;需要停止的任务放在延时等待表中。到目前位置enuo将拥有两个列表&＃xff1a;

就绪表存放就绪状态的任务&＃xff0c;延时等待表存放需要停止的任务&＃xff0c;&＃xff0c;处理器会轮流执行就绪表中的任务&＃xff0c;延时等待表中的任务不会得到运行。
任务的操作函数如下&＃xff1a;

/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : task_create
* &＃64;描述 : 创建任务
**********************************************************************************************************/
void task_create( task_tcb_t *task , task_function_t function , uint32_t *stack_space , uint32_t stack_number )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const new_node &＃61; &task->link;/* 链表使用者指向任务 */ task->link.owner &＃61; task;/* 插入滑动指针末尾 */ list_insert_sliding_pointer_end( &ready_list , new_node);/* 初始化任务栈 */ task_stack_init( (uint32_t *)task, function , stack_space , stack_number );
}
/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : task_stop
* &＃64;描述 : 暂停任务
**********************************************************************************************************/
void task_stop( task_tcb_t *task )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const new_node &＃61; &task->link;/* 移除原有链表关系 */list_remove(new_node);/* 插入滑动指针末尾 */ list_insert_sliding_pointer_end( &delay_list , new_node);
}
/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : task_resume
* &＃64;描述 : 恢复任务
**********************************************************************************************************/
void task_resume( task_tcb_t *task )
{/* 保存滑动指针位置 */list_node_t * const new_node &＃61; &task->link;/* 移除原有链表关系 */list_remove(new_node);/* 插入滑动指针末尾 */ list_insert_sliding_pointer_end( &ready_list , new_node);
}


使用task_create函数创建task0任务后的就绪表和延时表的关系图如下&＃xff1a;

使用task_create函数创建task1任务后的就绪表和延时表的关系图如下&＃xff1a;

使用task_stop函数停止task0任务&＃xff0c;任务停止后的就绪表和延时表的关系图如下&＃xff1a;

使用task_resume函数恢复task0任务&＃xff0c;任务恢复后的就绪表和延时表的关系图如下&＃xff1a;

5.3任务调度

任务调度使用轮询的方法&＃xff0c;再链表中读取下一个任务&＃xff0c;并使用滑动指针sliding_pointer指向下一个节点。任务调度函数如下&＃xff1a;

/*********************************************************************************************************
* &＃64;名称 : SysTick_Handler
* &＃64;描述 : 系统中断服务程序
**********************************************************************************************************/
void SysTick_Handler(void)
{ list_t * const const_list &＃61; &ready_list ; /* sliding_pointer 实现循环滑动指向列表中的下一个节点 */ ( const_list )->sliding_pointer &＃61; ( const_list )->sliding_pointer->next;if( const_list ->sliding_pointer &＃61;&＃61; & const_list ->head ) { const_list->sliding_pointer &＃61; const_list->sliding_pointer->next; /* 若列表为ListEnd 则指向下一个 就是第一个 实现循环*/ }next_task &＃61; const_list->sliding_pointer->owner;/* 请求切换任务 */TSAK_SWITCH_REQUEST;return;
}


任务切换使用TSAK_SWITCH_REQUEST宏&＃xff0c;宏定义使用linux宏常用的do-while形式&＃xff0c;TSAK_SWITCH_REQUEST宏如下&＃xff1a;

5.4功能测试

enuo系统增加了任务停止和任务恢复功能&＃xff0c;在task0中设计一个任务控制逻辑&＃xff0c;周期性停止和恢复task1和task2两个任务。task0任务设计如下&＃xff1a;

void task0(void)
{static uint16_t clk &＃61; 0;static uint16_t state &＃61; 0;while(1){if( ( ( clk&＃43;&＃43; )%9999 ) &＃61;&＃61; 0 ) {task_debug_num0&＃43;&＃43;; /* 测试跟踪 */test_function();/* 控制任务1和任务2的运行状态*/switch( state ){case 0:/* 暂停任务1 任务2 */task_stop( &my_task1 );task_stop( &my_task2 );break;case 50:/* 恢复任务1 */task_resume( &my_task1 );break;case 75:/* 恢复任务2 */task_resume( &my_task2 );break; default:break; }/* 周期计时 */if( state&＃43;&＃43; > 100 )state &＃61; 0; }}
}


使用state设计一个状态机&＃xff1a;
当state为0时停止task1和task2&＃xff1b;
当state为50时恢复task1&＃xff1b;
当state为75时恢复task2 。
如果功能正常运行结果为task0&＃xff0c;task1和task2运行次数监控task_debug_num的数值之比约为4&＃xff1a;2&＃xff1a;1 。

6.运行结果

代码仿真运行后的结果如下&＃xff1a;

task0&＃xff0c;task1和task2运行task_debug_num的数值之比约为4&＃xff1a;2&＃xff1a;1
证明enuo系统的停止任务和恢复任务的功能正常。

希望获取源码的朋友们在评论区里留言。

未完待续…
实时操作系统系列将持续更新
创作不易希望朋友们点赞&＃xff0c;转发&＃xff0c;评论&＃xff0c;关注。
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作者&＃xff1a;李巍
Github&＃xff1a;liyinuoman2017
CSDN&＃xff1a;liyinuo2017
今日头条&＃xff1a;程序猿李巍