6. 任务时间片运行¶

本章在上一章的基础上，加入SysTick中断，在SysTick中断服务函数里面进行任务切换，从而实现双任务的时间片运行，即每个任务运行的时间都是一样的。

6.1. SysTick简介¶

RTOS需要一个时基来驱动，系统任务调度的频率等于该时基的频率。通常该时基由一个定时器来提供，也可以从其他周期性的信号源获得。刚好Cortex-M内核中有一个系统定时器SysTick，它内嵌在NVIC中，是一个24位的递减的计数器，计数器每计数一次的时间为1/SYSCLK。当重装载数值寄存器的值递减到0的时候，系统定时器就产生一次中断，以此循环往复。因为SysTick是嵌套在内核中的，所以使得OS在Cortex-M器件中编写的定时器代码不必修改，使移植工作一下子变得简单很多。所以SysTick是最适合给操作系统提供时基，用于维护系统心跳的定时器。有关SysTick的寄存器汇总见表4‑1，各个寄存器的用法见表4‑2、表4‑3、表4‑4和表4‑5。

表4‑1SysTick寄存器汇总

寄存器名称	寄存器描述
CTRL	SysTick控制及状态寄存器
LOAD	SysTick重装载数值寄存器
VAL	SysTick当前数值寄存器

表4‑2SysTick控制及状态寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
16	COUNTFLAG	R/W	0	如果在上次读取本寄存器后， SysTick 已经计到了 0，则该位为 1。
2	CLKSOURCE	R/W	0	时钟源选择位，0=AHB/8，1=处理器时钟AHB
1	TICKINT	R/W	0	1=SysTick倒数计数到 0时产生 SysTick异常请求，0=数到 0 时无动作。也可以通过读取COUNTFLAG标志位来确定计数器是否递减到0
0	ENABLE	R/W	0	SysTick 定时器的启用位

表4‑3SysTick 重装载数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	RELOAD	R/W	0	当倒数计数至零时，将被重装载的值

表4‑4SysTick当前数值寄存器

位段	名称	类型	复位值	描述
23:0	CURRENT	R/W	0	读取时返回当前倒计数的值，写它则使之清零，同时还会清除在SysTick控制及状态寄存器中的COUNTFLAG 标志

6.2. 初始化SysTick¶

使用SysTick非常简单，只需一个初始化函数搞定，OS_CPU_SysTickInit函数在os_cpu_c.c中定义，具体实现见代码清单:时间片运行-1。在这里，SysTick初始化函数我们没有使用μC/OS-III官方的，我们是自己另外编写了一个。区别是uC/OS-III官方的OS_CPU_SysTickInit函数里面涉及 SysTick寄存器都是重新在cpu.h中定义，而我们自己编写的则是使用ARMCM3.h（记得在os_cpu_c.c的开头包含ARMCM3.h这个头文件）这个固件库文件里面定义的寄存器，仅此区别而已。

代码清单:时间片运行-1SysTick初始化¶

#if 0/* 不用μC/OS-III自带的 */
void  OS_CPU_SysTickInit (CPU_INT32U  cnts)
{
    CPU_INT32U  prio;

    /* 填写 SysTick 的重载计数值 */
    CPU_REG_NVIC_ST_RELOAD = cnts - 1u;

    /* 设置 SysTick 中断优先级 */
    prio  = CPU_REG_NVIC_SHPRI3;
    prio &= DEF_BIT_FIELD(24, 0);
    prio |= DEF_BIT_MASK(OS_CPU_CFG_SYSTICK_PRIO, 24);

    CPU_REG_NVIC_SHPRI3 = prio;

    /* 启用 SysTick 的时钟源和启动计数器 */
    CPU_REG_NVIC_ST_CTRL |= CPU_REG_NVIC_ST_CTRL_CLKSOURCE |
                            CPU_REG_NVIC_ST_CTRL_ENABLE;
    /* 启用 SysTick 的定时中断 */
    CPU_REG_NVIC_ST_CTRL |= CPU_REG_NVIC_ST_CTRL_TICKINT;
}

#else/* 直接使用头文件ARMCM3.h里面现有的寄存器定义和函数来实现 */
void  OS_CPU_SysTickInit (CPU_INT32U  ms)
{
    /* 设置重装载寄存器的值 */
    SysTick->LOAD  = ms * SystemCoreClock / 1000 - 1;(1)

    /* 配置中断优先级为最低 */
    NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);(2)

    /* 复位当前计数器的值 */
    SysTick->VAL   = 0;(3)

    /* 选择时钟源、启用中断、启用计数器 */
    SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |(4)
                    SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |(5)
                    SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;(6)
}
#endif

代码清单:时间片运行-1 （1）：配置重装载寄存器的值，我们配合函数形参ms来配置，如果需要配置为10ms产生一次中断，形参设置为10即可。
代码清单:时间片运行-1 （2）：配置SysTick的优先级，这里配置为15，即最低。
代码清单:时间片运行-1 （3）：复位当前计数器的值。
代码清单:时间片运行-1 （4）：选择时钟源，这里选择SystemCoreClock。
代码清单:时间片运行-1 （5）：启用中断。
代码清单:时间片运行-1 （6）：启用计数器开始计数。

6.3. 编写SysTick中断服务函数¶

SysTick中断服务函数也是在os_cpu_c.c中定义，具体实现见代码清单:时间片运行-2。

代码清单:时间片运行-2SysTick中断服务函数¶

/* SysTick 中断服务函数 */
void SysTick_Handler(void)
{
    OSTimeTick();
}

SysTick中断服务函数很简单，里面仅调用了函数OSTimeTick()。OSTimeTick()是与时间相关的函数，在os_time.c（os_time.c第一次使用需要自行在文件夹μC/OS-IIISource中新建并添加到工程的μC/OS-IIISource组）文件中定义，具体实现见代码清单:时间片运行-3。

代码清单:时间片运行-3OSTimeTick()函数¶

void  OSTimeTick (void)
{
    /* 任务调度 */
    OSSched();
}

OSTimeTick()很简单，里面仅调用了函数OSSched，OSSched函数暂时没有修改，与上一章一样，具体见代码清单:时间片运行-4。

代码清单:时间片运行-4 OSSched函数¶

void OSSched (void)
{
    if ( OSTCBCurPtr == OSRdyList[0].HeadPtr )
    {
        OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[1].HeadPtr;
    }
    else
    {
        OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[0].HeadPtr;
    }

    OS_TASK_SW();
}

6.4. main()函数¶

main()函数与上一章区别不大，仅仅是加入了SysTick相关的内容，具体见代码清单:时间片运行-5。

代码清单:时间片运行-5 main()函数和任务代码¶

int main(void)
{
    OS_ERR err;

    /* 关闭中断 */
    CPU_IntDis();(1)

    /* 配置SysTick 10ms 中断一次 */
    OS_CPU_SysTickInit (10);(2)

    /* 初始化相关的全局变量 */
    OSInit(&err);

    /* 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);
}



/* 任务1 */
void Task1( void *p_arg )
{
    for ( ;; ) {
        flag1 = 1;
        delay( 100 );
        flag1 = 0;
        delay( 100 );

    /* 任务切换，这里是手动切换 */
    //OSSched();(3)
    }
}

/* 任务2 */
void Task2( void *p_arg )
{
    for ( ;; ) {
        flag2 = 1;
        delay( 100 );
        flag2 = 0;
        delay( 100 );

        /* 任务切换，这里是手动切换 */
        //OSSched();(4)
    }
}

代码清单:时间片运行-5 （1）：关闭中断。因为在OS系统初始化之前我们启用了SysTick定时器产生10ms的中断，在中断里面触发任务调度，如果一开始我们不关闭中断，就会在OS还有启动之前就进入SysTick中断，然后发生任务调度，既然OS都还没启动，那调度是不允许发生的，所以先关闭中断。系统启动后，中断由OSStart()函数里面的OSStartHighRdy()重新开启。
代码清单:时间片运行-5 （2）：配置SysTick为10ms中断一次。任务的调度是在SysTick的中断服务函数中完成的，中断的频率越高就意味着OS的调度越高，系统的负荷就越重，一直在不断的进入中断，则执行任务的时间就减小。选择合适的SysTick中断频率会提供系统的运行效率，μC/OS-III 官方推荐为10ms，或者高点也行。
代码清单:时间片运行-5 （3）、（4）：任务调度将不再在各自的任务里面实现，而是放到了SysTick中断服务函数中。从而实现每个任务都运行相同的时间片，平等的享有CPU。

6.5. 实验现象¶

进入软件调试，单击全速运行按钮就可看到实验波形，具体见图实验现象。

从图实验现象我们可以看到，两个任务轮流的占有CPU，享有相同的时间片。其实目前的实验现象与上一章的实验现象还没有本质上的区别，加入SysTick只是为了后续章节做准备。上一章两个任务也是轮流的占有CPU，也是享有相同的时间片，该时间片是任务单次运行的时间。不同的是本章任务的时间片等于SysTick定时器的时基，是很多个任务单次运行时间的综合。即在这个时间片里面任务运行了非常多次，如果我们把波形放大，就会发现大波形里面包含了很多小波形，具体见图实验现象2。