鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列六任務及任務調(diào)度（3）任務調(diào)度模塊

作者：zhushangyuan 2021-05-20 09:50:20

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調(diào)度，Schedule也稱為Dispatch，是操作系統(tǒng)的一個重要模塊，它負責選擇系統(tǒng)要處理的下一個任務。調(diào)度模塊需要協(xié)調(diào)處于就緒狀態(tài)的任務對資源的競爭，按優(yōu)先級策略從就緒隊列中獲取高優(yōu)先級的任務，給予資源使用權(quán)。

下面，我們剖析下任務調(diào)度模塊的源代碼，若涉及開發(fā)板部分，以開發(fā)板工程targets\cortex-m7_nucleo_f767zi_gcc\為例進行源碼分析。

1、調(diào)度模塊的重要函數(shù)

文件kernel\src\los_sched.c中定義了調(diào)度模塊的幾個重要的函數(shù)，我們來分析下源碼。

1.1 調(diào)度初始化函數(shù)

調(diào)度初始化函數(shù)UINT32 OsSchedInit(VOID)在任務初始化函數(shù)UINT32 OsTaskInit(VOID)中調(diào)用。⑴處會初始化任務就緒隊列，⑵處初始化任務排序鏈表，⑶處初始化調(diào)度響應時間全局變量為最大值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 任務調(diào)度函數(shù)

任務調(diào)度函數(shù)VOID LOS_Schedule(VOID)是出鏡率較高的一個函數(shù)。當系統(tǒng)完成初始化開始調(diào)度，并且沒有鎖任務調(diào)度時，會調(diào)用函數(shù)HalTaskSchedule()進行任務調(diào)度。該函數(shù)定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S，由匯編語言實現(xiàn)，后文會詳細分析。

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

1.3 開啟調(diào)度函數(shù)

函數(shù)VOID OsSchedStart(VOID)被kernel\src\los_init.c:UINT32 LOS_Start(VOID)-->kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c:UINT32 HalStartSchedule(OS_TICK_HANDLER handler)函數(shù)依次調(diào)用，在系統(tǒng)初始化時開啟任務調(diào)度。我們看下該函數(shù)的源碼，⑴處調(diào)用函數(shù)獲取就緒隊列中優(yōu)先級最高的任務，⑵把該任務狀態(tài)設置為運行狀態(tài)，接著把當前運行任務和新任務都設置為就緒隊列中優(yōu)先級最高的那個任務。⑶處設置任務調(diào)度啟動狀態(tài)全局變量為1，標記任務調(diào)度已經(jīng)開啟。⑷處設置新任務的開始運行時間，然后把新任務從就緒隊列中出隊。⑸處設置全局變量。⑹處調(diào)用函數(shù)設置該任務的運行過期時間。

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 任務調(diào)度切換函數(shù)

任務切換函數(shù)用于實現(xiàn)任務切換，被文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S中的匯編函數(shù)HalPendSV調(diào)用。我們分析下該函數(shù)的源代碼。

⑴處獲取當前運行的任務，然后調(diào)用函數(shù)減去其運行的時間片，開始運行時間設置為當前時間。⑵如果任務處于阻塞等待狀態(tài)或延遲狀態(tài)，則把其加入任務排序鏈表。⑶如果任務不是處于阻塞掛起狀態(tài)、不是處于阻塞狀態(tài)，則把其加入就緒隊列。⑷處獲取就緒隊列中優(yōu)先級最高的任務，⑸處如果當前運行任務和就緒隊列匯總優(yōu)先級最高的任務不是同一個任務，把當前任務狀態(tài)設置為非運行狀態(tài)，新任務設置為運行狀態(tài)，并設置新任務的開始時間為當前任務的開始時間，然后執(zhí)行⑹標記是否需要任務切換。⑺處把新任務從就緒隊列中出隊，⑻處計算新任務的運行結(jié)束時間，然后執(zhí)行⑼設置任務到期時間。

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、調(diào)度模塊匯編函數(shù)

文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_dispatch.S定義了調(diào)度模塊的匯編函數(shù)，我們分析下這些調(diào)度接口的源代碼。匯編文件中定義了如下幾個宏，見注釋。

.equ OS_NVIC_INT_CTRL,           0xE000ED04     ; Interrupt Control State Register，ICSR 中斷控制狀態(tài)寄存器 
.equ OS_NVIC_SYSPRI2,            0xE000ED20     ; System Handler Priority Register 系統(tǒng)優(yōu)先級寄存器 
.equ OS_NVIC_PENDSV_PRI,         0xF0F00000     ; PendSV異常優(yōu)先級 
.equ OS_NVIC_PENDSVSET,          0x10000000     ; ICSR寄存器的PENDSVSET位置1時，會觸發(fā)PendSV異常 
.equ OS_TASK_STATUS_RUNNING,     0x0010         ; los_task.h中的同名宏定義，數(shù)值也一樣，表示任務運行狀態(tài)，

2.1 HalStartToRun匯編函數(shù)

開始運行函數(shù)HalStartToRun被文件kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_context.c中的開始調(diào)度函數(shù)HalStartSchedule在系統(tǒng)啟動階段調(diào)用。我們接下來分析下該函數(shù)的匯編代碼。

⑴處設置PendSV異常優(yōu)先級為OS_NVIC_PENDSV_PRI，PendSV異常一般設置為最低。⑵處往控制寄存器CONTROL寫入二進制的10，表示使用PSP棧，特權(quán)級的線程模式。⑶處把全局變量地址加載到寄存器r1。因為UINT16 taskStatus是LosTaskCB結(jié)構(gòu)體的第二個成員變量，⑷處[r1 , #4]把地址加4個字節(jié)來獲取當前運行任務的狀態(tài)，此時寄存器r0數(shù)值為0x4，即就緒狀態(tài)OS_TASK_STATUS_READY。

⑸處把[r0]的值即任務的棧指針taskCB->stackPointer加載到寄存器R12，現(xiàn)在R12指向任務棧的棧指針，任務?，F(xiàn)在保存的是上下文，對應定義在kernel\arch\arm\cortex-m7\gcc\los_arch_context.h中的結(jié)構(gòu)體TaskContext。如果支持浮點寄存器，則執(zhí)行⑹，把R12加100個字節(jié)，其中包含S16到S31共16個4字節(jié)，R4到R11及uwPriMask共9個4字節(jié)的長度，執(zhí)行指令后，R12指向任務棧中上下文的UINT32 uwR0位置。

⑺處代碼把任務棧上下文中的UINT32 uwR0-uwR3, UINT32 uwR12; UINT32 uwLR; UINT32 uwPC; UINT32 uwxPSR;共8個成員變量數(shù)值分別加載到寄存器R0-R7，其中R5對應UINT32 uwLR，R6對應UINT32 uwPC，此時寄存器R12指向任務棧上下文的UINT32 uwxPSR。然后執(zhí)行下一個指令，指針繼續(xù)加72字節(jié)(=18個4字節(jié)長度)，即對應S0到S15及UINT32 FPSCR; UINT32 NO_NAME等上下文的18個成員。此時，寄存器R12指向任務棧的棧底，緊接著執(zhí)行⑻把寄存器R12寫入寄存器psp。

如果不支持浮點寄存器，則執(zhí)行⑼，從棧指針加36字節(jié)，然后寄存器R12指向任務棧中上下文的UINT32 uwR0位置。接著把上下文中的寄存器信息加載到寄存器R0-R7，緊接著把寄存器R12寫入寄存器psp。

最后，執(zhí)行⑽處指令，把寄存器R5寫入lr寄存器，開中斷，然后跳轉(zhuǎn)到R6對應的上下文的PC對應的函數(shù)VOID OsTaskEntry(UINT32 taskID)，去執(zhí)行任務的入口函數(shù)。

    .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匯編函數(shù)

匯編函數(shù)HalTaskSchedule實現(xiàn)新老任務的切換調(diào)度。從上文可以知道，被任務調(diào)度函數(shù)VOID LOS_Schedule(VOID)調(diào)用。我們看看這個匯編函數(shù)的源代碼，首先往中斷控制狀態(tài)寄存器OS_NVIC_INT_CTRL中的OS_NVIC_PENDSVSET位置1，觸發(fā)PendSV異常。執(zhí)行完畢HalTaskSchedule函數(shù)，返回上層調(diào)用函數(shù)。PendSV異常的回調(diào)函數(shù)是HalPendSV匯編函數(shù)，下文會分析此函數(shù)。匯編函數(shù)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匯編函數(shù)

接下來，我們分析下HalPendSV匯編函數(shù)的源代碼。⑴處把寄存器PRIMASK數(shù)值寫入寄存器r12，備份中斷的開關(guān)狀態(tài)，然后執(zhí)行指令cpsid I屏蔽全局中斷。⑵處把寄存器r12、lr入棧，然后調(diào)用上文分析過的任務切換函數(shù)OsSchedTaskSwitch。函數(shù)執(zhí)行完畢，執(zhí)行⑶處指令出棧，恢復寄存器r12、lr數(shù)值。⑷處比較寄存器r0即任務切換函數(shù)OsSchedTaskSwitch的返回值與0，然后執(zhí)行⑸使用r0寄存器保存lr寄存器的值，如果⑷處的比較不相等，則執(zhí)行⑹跳轉(zhuǎn)到標簽TaskContextSwitch進行任務上下文切換。⑺處恢復中斷狀態(tài)，然后返回。

我們來看下需要任務上下文切換的情況，接著看標簽TaskContextSwitch。⑻處從r0寄存器恢復lr寄存器的值。⑼處使用r0寄存器指示棧指針，然后把寄存器r4-r12的數(shù)值壓入當前任務棧。如果支持浮點寄存器，還需要執(zhí)行⑽，把寄存器d8-d15的數(shù)值壓入當前任務棧，r0為任務棧指針。

⑾處指令把全局變量g_losTask地址加載到寄存器r5，⑿獲取當前運行任務的棧指針，然后更新當前運行任務的棧指針。⒀處指令獲取新任務newTask的地址，接著的指令把新任務地址賦值給當前運行任務，即runTask = newTask。⒁處指令把r1寄存器表示新任務的棧指針。如果支持浮點，⒂指令把新任務棧中的數(shù)據(jù)加載到寄存器d8-d15寄存器，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)指令繼續(xù)加載數(shù)據(jù)到r4-r12寄存器，然后執(zhí)行⒃處指令更新psp任務棧指針。⒄處指令恢復中斷狀態(tài)，然后執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，后續(xù)繼續(xù)執(zhí)行C代碼VOID OsTaskEntry(UINT32 taskId)進入任務執(zhí)行入口函數(shù)。

  .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