【干货分享】以图形式浅谈RTOS切换任务

正点原子

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     一，任务的组成

       任务控制块：主要管理任务并描述任务属性的数据结构。
       一般的RTOS，例如FreeRTOS、UCOS、OneOS等等操作系统无论发生任务切换还是挂起任务等操作都是先获取相应的任务控制块然后做相应的处理。
       任务入口函数：实现的功能在任务函数中执行。
       项目实现的功能都在任务函数中编写。
       任务堆栈：主要保护现场和恢复现场作用。
       主要压栈(保护现场)和出栈(恢复现场)操作。


      二，任务控制块、任务函数以及任务堆栈它们到底有啥联系呢?        



       从图中我们可以看出：每个任务都有独立的栈空间，而每个任务控制块使用双向链表链(可以看数据结构的类型的书籍)接在一起，而任务控制块的结构体某个成员变量指向任务堆栈，而任务堆栈包含了任务函数入口地址，简称：上下文信息。如果CPU执行任务2，那么先获取任务2的对应的任务控制块，然后获取任务2的任务控制块的所对应的任务堆栈的上下文信息弹出给CPU寄存器组(R0~R15等寄存器)简称：恢复现场，如果任务2被抢占了，那么首先保护任务2现场，然后切换到抢占的任务中。


      三、任务切换流程知识(重点掌握)

       任务堆栈的恢复现场：前面我们已经了解了，任务堆栈主要保存该任务的上下文信息，例如执行代码地址，任务函数参数等其他参数，如以下图所示：

         

       恢复现场：把切换的任务控制块所对应的任务堆栈的上下文信息弹出给CPU寄存器组(出栈操作)，如图所示：

        

       显然处理器的寄存器组的值关于切换的任务的上下文信息，注意：task_entry这个函数地址不一定是指向任务函数的首地址，这个地址会发生改变的。

       保护现场：当我们CPU执行任务2时，忽然任务3抢占了CPU使用权，首先任务2必须保护现场，第一步：先把当前CPU寄存器组的值(还是关于任务2的上下文信息)压入任务2对应的任务堆栈中，然后把任务3对应的上下文信息弹出给CPU寄存器组(出栈操作)。


      四、任务切换效果图：

        初始状态示意图：

         

       上图表示：RTOS还没有启动第一个任务的示意图。

       RTOS开启第一个任务示意图：

         

       PC指向任务1的任务函数首地址，所以CPU执行任务1的任务函数。

       RTOS切换：如果CPU运行任务1时被任务2抢占了，例如抢占时PC指向0x20001234地址时候，首先第一步：保护现场，然后把任务2对应的任务堆栈的上下文信息弹出给CPU寄存器组：


       任务1保护现场示意图：

         

        切换任务2示意图：

         

        从上面可知，任务1所对应的任务堆栈是发生改变的，原本任务1堆栈保存的是任务1函数的入口函数地址0x20001230,现在保存的是0x20001234，主要为了任务1恢复时候，并不是重新开始，而是从打断的断点开始往下执行。