華為物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) LiteOS內(nèi)核教程03-任務(wù)管理

1. LiteOS內(nèi)核的任務(wù)管理

Huawei LiteOS 內(nèi)核提供任務(wù)的創(chuàng)建、刪除、延遲、掛起、恢復(fù)等功能，以及鎖定和解鎖任務(wù)調(diào)度，支持任務(wù)按優(yōu)先級高低的搶占調(diào)度及同優(yōu)先級時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

1.1. 任務(wù)

在 LiteOS 中，一個任務(wù)就是一個線程，多個任務(wù)按照優(yōu)先級進行搶占式調(diào)度，達到多個任務(wù)“同時”運行的目的。

1.2. 任務(wù)的狀態(tài)

Huawei LiteOS 系統(tǒng)中的每個任務(wù)都有多種運行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成并啟動調(diào)度器后，系統(tǒng)中所有創(chuàng)建的任務(wù)就由內(nèi)核進行調(diào)度，在不同運行狀態(tài)之間切換，同時在系統(tǒng)中競爭一定的資源。

任務(wù)的狀態(tài)有以下四種：

就緒（Ready）：該任務(wù)在就緒列表中，只等待 CPU；

運行（Running）：該任務(wù)正在執(zhí)行；

阻塞（Blocked）：該任務(wù)不在就緒列表中。包含任務(wù)被掛起、任務(wù)被延時、任務(wù)正在等待信號量、讀寫隊列或者等待讀寫事件等；

退出態(tài)（Dead）：該任務(wù)運行結(jié)束，等待系統(tǒng)回收資源。

1.3. 任務(wù)ID

任務(wù) ID?在任務(wù)創(chuàng)建時通過參數(shù)返回給用戶，作為任務(wù)的一個非常重要的標識。

用戶可以通過任務(wù)ID對指定任務(wù)進行任務(wù)掛起、任務(wù)恢復(fù)、查詢?nèi)蝿?wù)名等操作。

1.4. 任務(wù)優(yōu)先級

優(yōu)先級表示任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先順序。任務(wù)的優(yōu)先級決定了在發(fā)生任務(wù)切換時即將要執(zhí)行的任務(wù)，在就緒列表中的最高優(yōu)先級的任務(wù)將得到執(zhí)行。

Huawei LiteOS 的任務(wù)一共有 32 個優(yōu)先級 (0-31)，最高優(yōu)先級為 0，最低優(yōu)先級為 31。

因為是LiteOS的內(nèi)核是搶占式調(diào)度內(nèi)核，所以：

高優(yōu)先級的任務(wù)可打斷低優(yōu)先級任務(wù)，低優(yōu)先級任務(wù)必須在高優(yōu)先級任務(wù)阻塞或結(jié)束后才能得到調(diào)度。

1.5. 任務(wù)入口函數(shù)

任務(wù)入口函數(shù)是每個新任務(wù)得到調(diào)度后將執(zhí)行的函數(shù)，該函數(shù)由用戶實現(xiàn)，在任務(wù)創(chuàng)建時，通過任務(wù)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體指定。

1.6. 多任務(wù)運作背后的機制

在多任務(wù)操作系統(tǒng)的內(nèi)核中，為了方便對每個任務(wù)進行管理，每一個任務(wù)都有一個任務(wù)控制塊（TCB），其中包含了任務(wù)上下文棧指針（stack pointer）、任務(wù)狀態(tài)、任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)ID、任務(wù)名、任務(wù)棧大小等信息，TCB 相當(dāng)于每個任務(wù)在內(nèi)核中的身份證，可以反映出每個任務(wù)運行情況。

那么，操作系統(tǒng)中這么多的任務(wù)，它們依靠TCB被系統(tǒng)統(tǒng)一管理，那么又是如何被系統(tǒng)執(zhí)行的呢？

其實，每個任務(wù)相當(dāng)于一個裸機程序，每個任務(wù)之間相互獨立，這個“獨立”指的是每個任務(wù)都有自己的運行環(huán)境 —— ?？臻g，稱為任務(wù)棧，棧空間里保存的信息包含局部變量、寄存器、函數(shù)參數(shù)、函數(shù)返回地址等。

可是，系統(tǒng)中只有一個CPU，即使每個任務(wù)的任務(wù)棧是獨立的，可是多個任務(wù)都需要被同一個CPU所執(zhí)行，CPU的資源是共用的吧。

對的，CPU的資源是多個任務(wù)共用的，這些CPU的寄存器只有在任務(wù)執(zhí)行的時候被使用，稱為任務(wù)上下文，因此，內(nèi)核在任務(wù)切換時會將切出任務(wù)的上下文信息保存在自身的任務(wù)?？臻g里面，以便任務(wù)恢復(fù)時還原現(xiàn)場，從而在任務(wù)恢復(fù)后在切出點繼續(xù)開始執(zhí)行。

用戶創(chuàng)建任務(wù)時，系統(tǒng)會先申請任務(wù)控制塊需要的內(nèi)存空間，申請成功后，系統(tǒng)會將任務(wù)棧進行初始化，預(yù)置上下文。此外，系統(tǒng)還會將“任務(wù)入口函數(shù)”地址放在相應(yīng)位置。這樣在任務(wù)第一次啟動進入運行態(tài)時，將會執(zhí)行“任務(wù)入口函數(shù)”。

2. 任務(wù)管理API

Huawei LiteOS 任務(wù)管理模塊提供任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)刪除、任務(wù)延時、任務(wù)掛起和任務(wù)恢復(fù)、更改任務(wù)優(yōu)先級、鎖任務(wù)調(diào)度和解鎖任務(wù)調(diào)度、根據(jù)任務(wù)控制塊查詢?nèi)蝿?wù) ID、根據(jù) ID 查詢?nèi)蝿?wù)控制塊信息功能。

Huawei LiteOS 任務(wù)管理提供的 API 都是以?LOS?開頭，但是這些 API 使用起來比較復(fù)雜，所以本文中我們使用 Huawei IoT Link SDK 提供的統(tǒng)一API接口進行實驗，這些接口底層已經(jīng)使用 LiteOS 提供的API實現(xiàn)，對用戶而言更為簡潔，API列表如下：

osal的api接口聲明在中，使用相關(guān)的接口需要包含該頭文件，關(guān)于函數(shù)的詳細參數(shù)請參考該頭文件的聲明。

任務(wù)相關(guān)的接口定義在osal.c中，基于LiteOS的接口實現(xiàn)在?liteos_imp.c文件中：

2.1. osal_task_create

osal_task_create的接口用于創(chuàng)建一個任務(wù)，其接口原型如下：

void*?osal_task_create(const?char?*name,int?(*task_entry)(void?*args),??????????????????????void?*args,int?stack_size,void?*stack,int?prior){????void?*ret?=?NULL;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->task_create)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->task_create(name,?task_entry,args,stack_size,stack,prior); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

2.2. osal_task_kill

osal_task_kill用于刪除某個其他任務(wù)（非自身），其接口原型如下：

int?osal_task_kill(void?*task){????int?ret?=?-1;????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->task_kill)) ????{ ????????ret?=?s_os_cb->ops->task_kill(task); ????}????return?ret; }

該接口的參數(shù)說明如下表：

2.3. osal_task_exit

osal_task_exit接口用于任務(wù)退出（自身），目前暫未支持，可以直接return退出。

2.4. osal_task_sleep

osal_task_sleep接口用于任務(wù)主動休眠，單位是ms,其接口原型如下：

void?osal_task_sleep(int?ms){????if((NULL?!=?s_os_cb)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops)?&&(NULL?!=?s_os_cb->ops->task_sleep)) ????{ ????????s_os_cb->ops->task_sleep(ms); ????}????return?; }

3. 動手實驗 —— 體驗任務(wù)的創(chuàng)建與切換

實驗內(nèi)容

本實驗中將創(chuàng)建兩個任務(wù)，一個低優(yōu)先級任務(wù)task1，一個高優(yōu)先級任務(wù)task2，兩個任務(wù)都會每隔2s在串口打印自己的任務(wù)id號，在串口終端中觀察兩個任務(wù)的運行情況。

實驗代碼

首先打開之前創(chuàng)建的 HelloWorld 工程，基于此工程進行實驗。

在Demo文件夾右擊，選擇新建文件夾：

新建osal_kernel_demo文件夾，用于存放內(nèi)核的實驗文件：

接下來在此osal_kernel_demo文件夾中新建第一個實驗文件osal_task_demo.c文件，開始編寫代碼：

/*?使用osal接口需要包含該頭文件?*/#include?/*?任務(wù)優(yōu)先級宏定義（shell任務(wù)的優(yōu)先級為10）?*/#define?USER_TASK1_PRI??12??//低優(yōu)先級#define?USER_TASK2_PRI??11??//高優(yōu)先級/*?任務(wù)ID?*/uint32_t?user_task1_id?=?0;uint32_t?user_task2_id?=?0;/*?任務(wù)task1入口函數(shù)?*/static?int?user_task1_entry(){????int?n?=?0;????/*?每隔2s在串口打印一次，打印5次后主動結(jié)束?*/ ????for(n?=?0;?n?

編寫完成之后，要將我們編寫的osal_task_demo.c文件添加到makefile中，加入整個工程的編譯：

這里有個較為簡單的方法，直接修改Demo文件夾下的user_demo.mk配置文件，添加如下代碼：

#example?for?osal_task_demo ifeq?($(CONFIG_USER_DEMO),?"osal_task_demo") user_demo_src??=?${wildcard?$(TOP_DIR)/targets/STM32L431_BearPi/Demos/osal_kernel_demo/osal_task_demo.c} user_demo_defs?=?-D?CONFIG_OSAL_TASK_DEMO_ENABLE=1 endif

添加位置如圖：

這段代碼的意思是：

如果 CONFIG_USER_DEMO 宏定義的值是osal_task_demo，則將osal_task_demo.c文件加入到makefile中進行編譯。

那么，如何配置 CONFIG_USER_DEMO 宏定義呢？在工程根目錄下的.sdkconfig文件中的末尾即可配置：

因為我們修改了mk配置文件，所以點擊重新編譯按鈕進行編譯，編譯完成后點擊下載按鈕燒錄程序。

實驗現(xiàn)象

程序燒錄之后，即可看到程序已經(jīng)開始運行，在串口終端中可看到實驗的輸出內(nèi)容：

linkmain:V1.2.1?AT?11:30:59?ON?Nov?28?2019?WELCOME?TO?IOT_LINK?SHELLLiteOS:/>task?2:?my?task?id?is?5!task1:?my?task?id?is?4,?n?=?0!task?2:?my?task?id?is?5!task1:?my?task?id?is?4,?n?=?1!task?2:?my?task?id?is?5!task1:?my?task?id?is?4,?n?=?2!task?2:?my?task?id?is?5!task1:?my?task?id?is?4,?n?=?3!task?2:?my?task?id?is?5!task1:?my?task?id?is?4,?n?=?4!task?2:?my?task?id?is?5!user?task?1?exit!task?2:?my?task?id?is?5!……

可以看到，系統(tǒng)啟動后，首先打印版本號，串口shell的優(yōu)先級為10，最先打印shell信息，接下來task1先創(chuàng)建，但是優(yōu)先級較低，所以后創(chuàng)建的task2搶占執(zhí)行，task2打印后主動掛起2s，這時task1開始執(zhí)行，依次執(zhí)行5次后task1結(jié)束，task2一直保持運行。