鸿蒙轻内核M核源码分析系列六 任务及任务调度(3)任务调度模块 原创 精华

发布于 2021-5-17 14:36
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鸿蒙轻内核M核源码分析系列七 任务及任务调度(3)任务调度模块

调度,Schedule也称为Dispatch,是操作系统的一个重要模块,它负责选择系统要处理的下一个任务。调度模块需要协调处于就绪状态的任务对资源的竞争,按优先级策略从就绪队列中获取高优先级的任务,给予资源使用权。本文我们来一起学习下调度模块的源代码,文中所涉及的源代码,所涉及的源码,以OpenHarmony LiteOS-M内核为例,均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 获取。

下面,我们剖析下任务调度模块的源代码,若涉及开发板部分,以开发板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\为例进行源码分析。

1、调度模块的重要函数

文件kernel\src\los_sched.c中定义了调度模块的几个重要的函数,我们来分析下源码。

1.1 调度初始化函数

调度初始化函数UINT32 OsSchedInit(VOID)在任务初始化函数UINT32 OsTaskInit(VOID)中调用。⑴处会初始化任务就绪队列,⑵处初始化任务排序链表,⑶处初始化调度响应时间全局变量为最大值OS_SCHED_MAX_RESPONSE_TIME

UINT32 OsSchedInit(VOID)
{
    UINT16 pri;
⑴  for (pri = 0; pri < OS_PRIORITY_QUEUE_NUM; pri++) {
        LOS_ListInit(&g_priQueueList[pri]);
    }
    g_queueBitmap = 0;

⑵  g_taskSortLinkList = OsGetSortLinkAttribute(OS_SORT_LINK_TASK);
    if (g_taskSortLinkList == NULL) {
        return LOS_NOK;
    }

    OsSortLinkInit(g_taskSortLinkList);
⑶  g_schedResponseTime = OS_SCHED_MAX_RESPONSE_TIME;

    return LOS_OK;
}

1.2 任务调度函数

任务调度函数VOID LOS_Schedule(VOID)是出镜率较高的一个函数。当系统完成初始化开始调度,并且没有锁任务调度时,会调用函数HalTaskSchedule()进行任务调度。该函数定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S,由汇编语言实现,后文会详细分析。

VOID LOS_Schedule(VOID)
{
    if (g_taskScheduled && LOS_CHECK_SCHEDULE) {
        HalTaskSchedule();
    }
}

1.3 开启调度函数

函数VOID OsSchedStart(VOID)kernel\src\los_init.c:UINT32 LOS_Start(VOID)-->kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c:UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)函数依次调用,在系统初始化时开启任务调度。我们看下该函数的源码,⑴处调用函数获取就绪队列中优先级最高的任务,⑵把该任务状态设置为运行状态,接着把当前运行任务和新任务都设置为就绪队列中优先级最高的那个任务。⑶处设置任务调度启动状态全局变量为1,标记任务调度已经开启。⑷处设置新任务的开始运行时间,然后把新任务从就绪队列中出队。⑸处设置全局变量。⑹处调用函数设置该任务的运行过期时间。

VOID OsSchedStart(VOID)
{
    (VOID)LOS_IntLock();
⑴  LosTaskCB *newTask = OsGetTopTask();

⑵  newTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_RUNNING;
    g_losTask.newTask = newTask;
    g_losTask.runTask = g_losTask.newTask;

⑶  g_taskScheduled = 1;
⑷  newTask->startTime = OsGetCurrSchedTimeCycle();
    OsSchedTaskDeQueue(newTask);

⑸  g_schedResponseTime = OS_SCHED_MAX_RESPONSE_TIME;
    g_schedResponseID = OS_INVALID;
⑹  OsSchedSetNextExpireTime(newTask->startTime, newTask->taskID, newTask->startTime + newTask->timeSlice);

    PRINTK("Entering scheduler\n");
}

1.4 任务调度切换函数

任务切换函数用于实现任务切换,被文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S中的汇编函数HalPendSV调用。我们分析下该函数的源代码。

⑴处获取当前运行的任务,然后调用函数减去其运行的时间片,开始运行时间设置为当前时间。⑵如果任务处于阻塞等待状态或延迟状态,则把其加入任务排序链表。⑶如果任务不是处于阻塞挂起状态、不是处于阻塞状态,则把其加入就绪队列。⑷处获取就绪队列中优先级最高的任务,⑸处如果当前运行任务和就绪队列汇总优先级最高的任务不是同一个任务,把当前任务状态设置为非运行状态,新任务设置为运行状态,并设置新任务的开始时间为当前任务的开始时间,然后执行⑹标记是否需要任务切换。⑺处把新任务从就绪队列中出队,⑻处计算新任务的运行结束时间,然后执行⑼设置任务到期时间。

BOOL OsSchedTaskSwitch(VOID)
{
    UINT64 endTime;
    BOOL isTaskSwitch = FALSE;
 ⑴ LosTaskCB *runTask = g_losTask.runTask;
    OsTimeSliceUpdate(runTask, OsGetCurrSchedTimeCycle());

⑵  if (runTask->taskStatus & (OS_TASK_STATUS_PEND_TIME | OS_TASK_STATUS_DELAY)) {
        OsAdd2SortLink(&runTask->sortList, runTask->startTime, runTask->waitTimes, OS_SORT_LINK_TASK);
    } else if (!(runTask->taskStatus & (OS_TASK_STATUS_PEND | OS_TASK_STATUS_SUSPEND | OS_TASK_STATUS_UNUSED))) {
⑶      OsSchedTaskEnQueue(runTask);
    }

⑷  LosTaskCB *newTask = OsGetTopTask();
    g_losTask.newTask = newTask;

    if (runTask != newTask) {
#if (LOSCFG_BASE_CORE_TSK_MONITOR == 1)
        OsTaskSwitchCheck();
#endif
⑸      runTask->taskStatus &= ~OS_TASK_STATUS_RUNNING;
        newTask->taskStatus |= OS_TASK_STATUS_RUNNING;
        newTask->startTime = runTask->startTime;
⑹      isTaskSwitch = TRUE;

        OsHookCall(LOS_HOOK_TYPE_TASK_SWITCHEDIN);
    }

⑺  OsSchedTaskDeQueue(newTask);

⑻  if (newTask->taskID != g_idleTaskID) {
        endTime = newTask->startTime + newTask->timeSlice;
    } else {
        endTime = OS_SCHED_MAX_RESPONSE_TIME;
    }
⑼   OsSchedSetNextExpireTime(newTask->startTime, newTask->taskID, endTime);

    return isTaskSwitch;
}

2、调度模块汇编函数

文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S定义了调度模块的汇编函数,我们分析下这些调度接口的源代码。汇编文件中定义了如下几个宏,见注释。

.equ OS_NVIC_INT_CTRL,           0xE000ED04     ; Interrupt Control State Register,ICSR 中断控制状态寄存器
.equ OS_NVIC_SYSPRI2,            0xE000ED20     ; System Handler Priority Register 系统优先级寄存器
.equ OS_NVIC_PENDSV_PRI,         0xF0F00000     ; PendSV异常优先级
.equ OS_NVIC_PENDSVSET,          0x10000000     ; ICSR寄存器的PENDSVSET位置1时,会触发PendSV异常
.equ OS_TASK_STATUS_RUNNING,     0x0010         ; los_task.h中的同名宏定义,数值也一样,表示任务运行状态,

2.1 HalStartToRun汇编函数

开始运行函数HalStartToRun被文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c中的开始调度函数HalStartSchedule在系统启动阶段调用。我们接下来分析下该函数的汇编代码。

⑴处设置PendSV异常优先级为OS_NVIC_PENDSV_PRIPendSV异常一般设置为最低。⑵处往控制寄存器CONTROL写入二进制的10,表示使用PSP栈,特权级的线程模式。⑶处把全局变量地址加载到寄存器r1,类似于C语言的r1=&g_losTask。⑷处[r1 , #4]&g_losTask地址加4个字节来获取g_losTask->newTask,此时寄存器r0数值为newTask的TaskCB的内存地址。

⑸处把[r0]的值即新任务的栈指针g_losTask->newTask->stackPointer加载到寄存器R12,现在R12指向任务栈的栈指针,任务栈现在保存的是上下文,对应定义在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_arch_context.h中的结构体TaskContext。如果支持浮点寄存器,则执行⑹,把R12加100个字节,其中包含S16S31共16个4字节,R4R11uwPriMask共9个4字节的长度,执行指令后,R12指向任务栈中上下文的UINT32 uwR0位置。

⑺处代码把任务栈上下文中的UINT32 uwR0-uwR3, UINT32 uwR12; UINT32 uwLR; UINT32 uwPC; UINT32 uwxPSR;共8个成员变量数值分别加载到寄存器R0-R7,其中R5对应UINT32 uwLRR6对应UINT32 uwPC,此时寄存器R12指向任务栈上下文的UINT32 uwxPSR。然后执行下一个指令,指针继续加72字节(=18个4字节长度),即对应S0S15UINT32 FPSCR; UINT32 NO_NAME等上下文的18个成员。此时,寄存器R12指向任务栈的栈底,紧接着执行⑻把寄存器R12写入寄存器psp

如果不支持浮点寄存器,则执行⑼,从栈指针加36字节,然后寄存器R12指向任务栈中上下文的UINT32 uwR0位置。接着把上下文中的寄存器信息加载到寄存器R0-R7,紧接着把寄存器R12写入寄存器psp

最后,执行⑽处指令,把寄存器R5写入lr寄存器,开中断,然后跳转到R6对应的上下文的PC对应的函数VOID OsTaskEntry(UINT32 taskID),去执行任务的入口函数。

    .type HalStartToRun, %function
    .global HalStartToRun
HalStartToRun:
    .fnstart
    .cantunwind

⑴  ldr     r4, =OS_NVIC_SYSPRI2
    ldr     r5, =OS_NVIC_PENDSV_PRI
    str     r5, [r4]

⑵  mov     r0, #2
    msr     CONTROL, r0

⑶  ldr     r1, =g_losTask
⑷  ldr     r0, [r1, #4]
⑸  ldr     r12, [r0]
#if ((defined(__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \
     (defined(__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))
⑹  add     r12, r12, #100

⑺  ldmfd   r12!, {r0-r7}
    add     r12, r12, #72
⑻  msr     psp, r12
    vpush   {S0}
    vpop    {S0}
#else
⑼  add     r12, r12, #36

    ldmfd   r12!, {r0-r7}
    msr     psp, r12
#endif
⑽   mov     lr, r5
    //MSR     xPSR, R7

    cpsie   I
    bx      r6

    .fnend

2.2 OsTaskSchedule汇编函数

汇编函数HalTaskSchedule实现新老任务的切换调度。从上文可以知道,被任务调度函数VOID LOS_Schedule(VOID)调用。我们看看这个汇编函数的源代码,首先往中断控制状态寄存器OS_NVIC_INT_CTRL中的OS_NVIC_PENDSVSET位置1,触发PendSV异常。执行完毕HalTaskSchedule函数,返回上层调用函数。PendSV异常的回调函数是HalPendSV汇编函数,下文会分析此函数。汇编函数HalTaskSchedule如下:

    .type HalTaskSchedule, %function
    .global HalTaskSchedule
HalTaskSchedule:
    .fnstart
    .cantunwind

    ldr     r0, =OS_NVIC_INT_CTRL
    ldr     r1, =OS_NVIC_PENDSVSET
    str     r1, [r0]
    dsb
    isb
    bx      lr
   .fnend

3.4 HalPendSV汇编函数

接下来,我们分析下HalPendSV汇编函数的源代码。⑴处把寄存器PRIMASK数值写入寄存器r12,备份中断的开关状态,然后执行指令cpsid I屏蔽全局中断。⑵处把寄存器r12lr入栈,然后调用上文分析过的任务切换函数OsSchedTaskSwitch。函数执行完毕,执行⑶处指令出栈,恢复寄存器r12lr数值。⑷处比较寄存器r0即任务切换函数OsSchedTaskSwitch的返回值与0,然后执行⑸使用r0寄存器保存lr寄存器的值,如果⑷处的比较不相等,则执行⑹跳转到标签TaskContextSwitch进行任务上下文切换。⑺处恢复中断状态,然后返回。

我们来看下需要任务上下文切换的情况,接着看标签TaskContextSwitch。⑻处从r0寄存器恢复lr寄存器的值。⑼处使用r0寄存器指示栈指针,然后把寄存器r4-r12的数值压入当前任务栈。如果支持浮点寄存器,还需要执行⑽,把寄存器d8-d15的数值压入当前任务栈,r0为任务栈指针。

⑾处指令把全局变量g_losTask地址加载到寄存器r5,⑿获取当前运行任务的栈指针,然后更新当前运行任务的栈指针。⒀处指令获取新任务newTask的地址,接着的指令把新任务地址赋值给当前运行任务,即runTask = newTask。⒁处指令把r1寄存器表示新任务的栈指针。如果支持浮点,⒂指令把新任务栈中的数据加载到寄存器d8-d15寄存器,继续执行后续指令继续加载数据到r4-r12寄存器,然后执行⒃处指令更新psp任务栈指针。⒄处指令恢复中断状态,然后执行跳转指令,后续继续执行C代码VOID OsTaskEntry(UINT32 taskId)进入任务执行入口函数。

    .type HalPendSV, %function
    .global HalPendSV
HalPendSV:
    .fnstart
    .cantunwind

⑴  mrs     r12, PRIMASK
    cpsid   I

HalTaskSwitch:
⑵  push    {r12, lr}
    blx     OsSchedTaskSwitch
⑶  pop     {r12, lr}
⑷  cmp     r0, #0
⑸  mov     r0, lr
⑹  bne     TaskContextSwitch
⑺  msr     PRIMASK, r12
    bx      lr

TaskContextSwitch:
⑻  mov     lr, r0
⑼  mrs     r0, psp

    stmfd   r0!, {r4-r12}

#if ((defined(__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \
     (defined(__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))
⑽   vstmdb   r0!, {d8-d15}
#endif
⑾  ldr     r5, =g_losTask
⑿  ldr     r6, [r5]
    str     r0, [r6]

⒀  ldr     r0, [r5, #4]
    str     r0, [r5]

⒁  ldr     r1, [r0]

#if ((defined(__FPU_PRESENT) && (__FPU_PRESENT == 1U)) && \
     (defined(__FPU_USED) && (__FPU_USED == 1U)))
⒂  vldmia   r1!, {d8-d15}
#endif
    ldmfd   r1!, {r4-r12}
⒃  msr     psp,  r1

⒄  msr     PRIMASK, r12

    bx      lr
    .fnend

小结

本文带领大家一起剖析了鸿蒙轻内核调度模块的源代码,包含调用接口及底层的汇编函数实现。后续也会陆续推出更多的分享文章,敬请期待,也欢迎大家分享学习、使用鸿蒙轻内核的心得,有任何问题、建议,都可以留言给我们: https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m/issues 。为了更容易找到鸿蒙轻内核代码仓,建议访问 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m ,关注Watch、点赞Star、并Fork到自己账户下,谢谢。

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已于2021-10-13 16:22:41修改
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