uCOS-III 学习记录（3）——空闲任务和阻塞延时
参考内容：《[野火]uCOS-III内核实现与应用开发实战指南——基于STM32》第 8 章。
1. 空闲任务
不知道有没有注意到这样一个问题：我在学习 x86 汇编语言的时候，曾详细研读过系统内核的代码，内核本身也是有自己的 TCB 的，内核可作为一个“任务管理器”来对其他任务进行创建、删除等操作。那么 uCOS 作为一个实时操作系统，内核也应该需要自己的任务和 TCB，因此我们需要创建一个空闲任务给内核，这样，在没有任务的时候，内核空转运行空闲任务，同时检查各个任务的状态以做出相应的操作（因此 uCOS 内核也可视为“任务管理器”）。
1.1 数据类型定义
空闲任务虽然与其他任务的作用不同，但它的本质依然是一个任务，TCB、任务栈一个都不能少。
1.1.1 空闲任务 TCB (os.h)
在 os.h 中定义 TCB：
OS_EXT OS_TCB OSIdleTaskTCB;
1.1.2 空闲任务栈 (os_cfg_app.c)
有关空闲任务栈的定义，并不在 os.h 中。
首先在 os_cfg_app.h 中定义了空闲任务栈的大小（感觉叫栈尺寸更合适？栈粒度应该是 4 字节）：
/* 空闲任务栈大小 */
#define OS_CFG_IDLE_TASK_STK_SIZE 128u
然后，在 os_cfg_app.c 中定义栈和栈大小：
CPU_STK OSCfg_IdleTaskStk[OS_CFG_IDLE_TASK_STK_SIZE]; /* 空闲任务栈 */
CPU_STK *const OSCfg_IdleTaskStkBasePtr = (CPU_STK *) &OSCfg_IdleTaskStk[0]; /* 空闲任务栈的起始地址 */
CPU_STK const OSCfg_IdleTaskStkSize = (CPU_STK_SIZE) OS_CFG_IDLE_TASK_STK_SIZE; /* 空闲任务栈的大小 */
1.2 空闲任务函数 OS_IdleTask (os_core.c)
作为一个任务，任务主体是不能缺的。
按照书上的教程，它定义了一个全局变量（OSIdleTaskCtr），用来计数。我不知道这个计数是干什么用的，我觉得在目前的学习阶段而言，空闲任务函数可以什么都不做。可能是作者觉得内核干一些无意义的事也好过什么事也不干吧。
typedef CPU_INT32U OS_IDLE_CTR;
OS_EXT OS_IDLE_CTR OSIdleTaskCtr;
注意：
- 本函数不允许用户调用。
以下是空闲任务函数，用来无聊的计数：
/* 空闲任务 */
void OS_IdleTask (void *p_arg)
{
p_arg = p_arg;
/* 空闲任务什么都不做，只对全局变量OSIdleTaskCtr ++ 操作 */
for (;;)
{
OSIdleTaskCtr++;
}
}
1.3 空闲任务初始化函数 (os_core.c)
很简单，就完成两个功能：
- 创建空闲任务：调用 OSTaskCreate 即可。
- 计数清零：将 OSIdleTaskCtr 清零，为无聊的计数做准备。
注意：
- 本函数不允许用户调用。
/* 空闲任务初始化函数 */
void OS_IdleTaskInit (OS_ERR *p_err)
{
OSIdleTaskCtr = (OS_IDLE_CTR) 0; /* 计数器清零 */
OSTaskCreate ((OS_TCB*) &OSIdleTaskTCB,
(OS_TASK_PTR) OS_IdleTask,
(void *) 0,
(CPU_STK *) OSCfg_IdleTaskStkBasePtr,
(CPU_STK_SIZE) OSCfg_IdleTaskStkSize,
(OS_ERR *) &p_err); /* 创建空闲任务 */
}
那么，在 OS 初始化的时候，调用该函数即可完成空闲任务的创建：
/* OS 系统初始化，用于初始化全局变量 */
void OSInit (OS_ERR *p_err)
{
/* 系统用一个全局变量 OSRunning 来指示系统的运行状态。系统初始化时，默认为停止状态，即 OS_STATE_OS_STOPPED */
OSRunning = OS_STATE_OS_STOPPED;
OSTCBCurPtr = (OS_TCB *) 0; /* 指向当前正在运行的任务的 TCB 指针 */
OSTCBHighRdyPtr = (OS_TCB *) 0; /* 指向就绪任务中优先级最高的任务的 TCB */
OS_RdyListInit(); /* 初始化就绪列表 */
OS_IdleTaskInit(p_err); /* ----> 初始化空闲任务 */
if (*p_err != OS_ERR_NONE) {
return;
}
}
2 阻塞延时
很多时候，某些任务运行到某处就需要延时一段时间，什么都不做。比如驱动某外设，需要按照时序，延时一段时间，再去访问接口。为了能榨干 CPU 的性能，不让它空转，在延时的这段时间内，还是要去完成其他的任务。
任务自行发起的延时，会使得任务自身发生阻塞，不再运行下去，这种延时就叫阻塞延时。而在阻塞延时期间，我们不让 CPU 闲着干等着，所以就有了任务切换（任务调度）。如果没有别的任务可以切换（调度），那就切换到内核的空闲任务。无论怎样，只要别让 CPU 闲着就行了。
2.1 数据类型定义
在 TCB 中加入了记录延时长度的成员，最小单位为 1 个 Tick，之前在上一篇笔记中我们初始化一个 Tick 为 10ms，因此最小单位为 10ms。
/* TCB 重命名为大写字母格式 */
typedef struct os_tcb OS_TCB;
/* TCB 数据类型声明 */
struct os_tcb{
CPU_STK *StkPtr;
CPU_STK_SIZE StkSize;
OS_TICK TaskDelayTicks; /* 任务延时多少个 Ticks，注意 1 个 Ticks 为 10ms */
};
下面来实现阻塞延时的函数。
2.2 阻塞延时函数 OSTimeDly (os_time.c)
一旦我们在任务中发起延时，那么在阻塞延时函数中完成两件事：
- 延时长度记录到当前运行任务的 TCB 中，方便系统查看。
- 发起任务切换（更准确的说法是任务调度）。
/* 阻塞延时 */
void OSTimeDly (OS_TICK dly)
{
/* 延时时间 */
OSTCBCurPtr->TaskDelayTicks = dly;
/* 任务切换 */
OSSched();
}
特别需要注意，阻塞延时函数跟软延时 Delay 的本质是不同的。软延时是 CPU 真的会卡在 for 循环里，什么事都干不了；而阻塞延时函数的实质是 CPU 设置了一下延时时间，然后就去忙别的了。那谁负责计时？当然是我们的 SysTick 了。
2.3 SysTick 发起中断后调用 OSTimeTick (os_time.c)
之前已提及，阻塞延时函数负责设置延时时间，书承上节内容，在 SysTick 发起一次中断时，表明一次 Tick 已经到来（在本案例中是 已经过去了 10ms），此时，把 TCB 中记录延时的数值减去 1，表示已经过去了一个 Tick（即过去了 10ms）。之后，还要发起一次任务调度，看看有没有任务已经延时结束的。
因此，实际上该函数起了这么一个作用：每隔 10ms，我帮你计数一次，起到了一个延时计数的功能。
void OSTimeTick (void)
{
OS_PRIO i;
/* 遍历整个就绪列表，如果延时未到时，则减 1 */
for ( i = 0u; i < OS_CFG_PRIO_MAX; i++)
{
if ( OSRdyList[i].HeadPtr->TaskDelayTicks > 0u )
{
OSRdyList[i].HeadPtr->TaskDelayTicks --;
}
}
/* 任务调度 */
OSSched();
}
2.4 任务调度 OSChed (os_core.c)
从现在起，该函数不再叫任务切换了，而是叫任务调度器，因为已经有三个任务了。
我们实现的任务调度的算法很简单，也很朴素，就是去一个个检查其他其他任务是否延时结束，如果某个任务延时结束了，那么就切换到这个任务去运行。如果找不到一个任务延时结束，那么就维持当前任务运行。
在这里，我们实现了两个用户任务，一个空闲任务。那么，SysTick 每发起一次中断就会调用本函数，检查的步骤为：
- 如果当前任务为空闲任务，那么检查任务 1 和任务 2 是否延时结束。如果任务 1 延时结束，那么就运行任务 1 （OSTCBHighRdyPtr 指向任务 1 的 TCB）；如果任务 2 延时结束，那么就运行任务 2 （OSTCBHighRdyPtr 指向任务 2 的 TCB）。
- 如果当前任务为任务 1，那么检查任务 1 自己和任务 2 是否延时结束。如果任务 2 延时结束，那么就运行任务 2 （OSTCBHighRdyPtr 指向任务 2 的 TCB）；如果任务 1 自己未延时结束，那么就运行空闲任务（OSTCBHighRdyPtr 指向空闲任务的 TCB）。
- 如果当前任务为任务 2，那么检查任务 2 自己和任务 1 是否延时结束。如果任务 1 延时结束，那么就运行任务 1 （OSTCBHighRdyPtr 指向任务 1 的 TCB）；如果任务 2 自己未延时结束，那么就运行空闲任务（OSTCBHighRdyPtr 指向空闲任务的 TCB）。
- 最后，触发 PendSV 异常，保存上文，使 OSTCBCurPtr 获得 OSTCBHighRdyPtr，切换下文。
以上，就是我们实现的简单的调度算法。
/* 任务调度 */
void OSSched (void)
{
if ( OSTCBCurPtr == &OSIdleTaskTCB ) /* (a) 假如现在的任务是空闲任务 */
{
if ( OSRdyList[0].HeadPtr->TaskDelayTicks == 0 ) /* 如果任务 1 延时结束 */
{
OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[0].HeadPtr;
}
else if ( OSRdyList[1].HeadPtr->TaskDelayTicks == 0 ) /* 如果任务 2 延时结束 */
{
OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[1].HeadPtr;
}
else
{
return;
}
}
else if ( OSTCBCurPtr == OSRdyList[0].HeadPtr ) /* (b) 假如现在的任务是任务 1 */
{
if ( OSRdyList[1].HeadPtr->TaskDelayTicks == 0 ) /* 如果任务 2 延时结束 */
{
OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[1].HeadPtr;
}
else if ( OSTCBCurPtr->TaskDelayTicks != 0 ) /* 如果任务 1 自己还在延时 */
{
OSTCBHighRdyPtr = &OSIdleTaskTCB;
}
else
{
return;
}
}
else if ( OSTCBCurPtr == OSRdyList[1].HeadPtr ) /* (c) 假如现在的任务是任务 2 */
{
if ( OSRdyList[0].HeadPtr->TaskDelayTicks == 0 ) /* 如果任务 1 延时结束 */
{
OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[0].HeadPtr;
}
else if ( OSTCBCurPtr->TaskDelayTicks != 0 ) /* 如果任务 2 自己还在延时 */
{
OSTCBHighRdyPtr = &OSIdleTaskTCB;
}
else
{
return;
}
}
OS_TASK_SW();
}
最后一个困惑：为什么要将 TCB 指针赋值给 OSTCBHighRdyPtr 而不是 OSTCBCurPtr 呢？我个人理解：因为 uCOS 是抢占式多任务，将任务 A 赋值给最高优先级时，当前任务会被切换为该任务 A。而且可以看看 PendSV 异常汇编程序，你会发现它实现的最核心的东西其实是 OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr。我现在不是很懂，也许学到后面会逐渐明白的吧。
3 实验：阻塞延时的运用
3.1 主函数 (app.c)
在任务中，实现了阻塞延时，去掉了软件延时和手动切换任务。
#include "ARMCM3.h"
#include "os.h"
#define TASK1_STK_SIZE 20
#define TASK2_STK_SIZE 20
static CPU_STK Task1Stk[TASK1_STK_SIZE];
static CPU_STK Task2Stk[TASK2_STK_SIZE];
static OS_TCB Task1TCB;
static OS_TCB Task2TCB;
uint32_t flag1;
uint32_t flag2;
void Task1 (void *p_arg);
void Task2 (void *p_arg);
void delay(uint32_t count);
int main (void)
{
OS_ERR err;
/* 初始化相关的全局变量，创建空闲任务 */
OSInit(&err);
/* 关中断，因为此时 OS 未启动，若开启中断，那么 SysTick 将会引发中断 */
CPU_IntDis();
/* 初始化 SysTick，配置 SysTick 为 10ms 中断一次，Tick = 10ms */
OS_CPU_SysTickInit(10);
/* 创建任务 */
OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task1TCB,
(OS_TASK_PTR) Task1,
(void *) 0,
(CPU_STK*) &Task1Stk[0],
(CPU_STK_SIZE) TASK1_STK_SIZE,
(OS_ERR *) &err);
OSTaskCreate ((OS_TCB*) &Task2TCB,
(OS_TASK_PTR) Task2,
(void *) 0,
(CPU_STK*) &Task2Stk[0],
(CPU_STK_SIZE) TASK2_STK_SIZE,
(OS_ERR *) &err);
/* 将任务加入到就绪列表 */
OSRdyList[0].HeadPtr = &Task1TCB;
OSRdyList[1].HeadPtr = &Task2TCB;
/* 启动OS，将不再返回 */
OSStart(&err);
}
void Task1 (void *p_arg)
{
for (;;)
{
flag1 = 1;
OSTimeDly (2); // 20ms
flag1 = 0;
OSTimeDly (2);
}
// 不用手动任务切换
}
void Task2 (void *p_arg)
{
for (;;)
{
flag2 = 1;
OSTimeDly (2);
flag2 = 0;
OSTimeDly (2);
}
// 不用手动任务切换
}
（1）初始化流程如下：
- OS 初始化：完成就绪列表和空闲任务的初始化。
- 关闭中断。
- SysTick 初始化：设置一个滴答为 10ms。
- 创建任务。
- 将任务加入就绪列表。
- OS 启动：启动任务切换，先运行就绪列表里的第一个任务 Task1。
（2）在第一个任务 Task1 中，执行 Flag1 = 1 后，执行到 OSTimeDly：
- 将当前任务 TCB 的记录延时成员设置好。
- 由 OSSched 进行任务调度。
- 因为此时没有别的任务运行，所以会被切换到 Task2。
（3）在 Task2 中，执行 Flag2 = 1 后，也执行到 OSTimeDly：
- 将当前任务 TCB 的记录延时成员设置好。
- 由 OSSched 进行任务调度。
- 因为此时 Task1 仍处于阻塞状态，所以会被切换到空闲任务。
（4）在运行空闲任务的同时，SysTick 也在工作中：
- 发现一个 Tick 到来了，说明 10ms 间隔已到，发起中断 SysTick_Handler。
- 执行函数 OSTimeTick，将所有任务 TCB 中的延时时长全部减 1，表示已过去了 10ms。
- 发起 OSSched 进行任务调度。
- 因为这时两个任务仍在阻塞中，所以继续切换到空闲任务。
- 这样，每发起一次 Tick，都会减去 1，同时去检查两个任务是否还在阻塞中，CPU 一直运行空闲任务。直到，当两个任务同时阻塞完毕的时候（因为我们设置的两个任务阻塞时间相同），又是一次 Tick 的到来，此时空闲任务将切换到 Task1（因为任务调度函数中判断 Task1 是否阻塞是写在前面的）。此时你发现又回到了第（2）个步骤，只不过这一次是 Flag1 = 0，后面的运行过程就不多说了。
所以，你发现了一个什么问题？就是，任务调度（OSSched）会发生在设置延时时间（OSTimeDly）和中断发起（SysTick_Handler）的时候，这意味这两个函数都有可能引发 PendSV 异常。
3.2 实验现象
可以发现，因为我们延时的长度一样，所以两个任务几乎是同时进行的，按照上面的分析，确实就是这个样子，看起来就像是并行线程，很神奇吧！
