嵌入式框架Zorb Framework搭建七:任务的实现

我是卓波,我是一名嵌入式工程师,我万万没想到我会在这里跟大家吹牛皮。

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嵌入式框架Zorb Framework搭建过程

嵌入式框架Zorb
Framework搭建一:嵌入式环境搭建、调试输出和建立时间系统

嵌入式框架Zorb
Framework搭建二:环形缓冲区的实现

嵌入式框架Zorb
Framework搭建三:列表的实现

嵌入式框架Zorb
Framework搭建四:状态机的实现

嵌入式框架Zorb
Framework搭建五:事件的实现

嵌入式框架Zorb
Framework搭建六:定时器的实现

嵌入式框架Zorb
Framework搭建七:任务的实现

 

嵌入式框架Zorb Framework搭建过程

嵌入式框架Zorb
Framework搭建一:嵌入式环境搭建、调试输出和建立时间系统

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Framework搭建二:环形缓冲区的实现

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Framework搭建三:列表的实现

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Framework搭建四:状态机的实现

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Framework搭建五:事件的实现

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嵌入式框架Zorb
Framework搭建七:任务的实现

 

一、前言

  在开发程序时,有时候会发现单线程程序开发起来比较吃力,要是可以多线程那该多好。本篇要为Zorb
Framework提供多线程功能,也就是多任务功能。

 

一、前言

  在这一篇中,我们将为Zorb
Framework提供状态机功能。中小型嵌入式程序说白了就是由各种状态机组成,因此掌握了如何构建状态机,开发嵌入式应用程序可以说是手到拈来。简单的状态机可以用Switch-Case实现,但复杂一点的状态机再继续使用Switch-Case的话,层次会变得比较乱,不方便维护。因此我们为Zorb
Framework提供了函数式状态机。

 

二、任务功能设计

  我们先来看看要实现的任务提供什么功能:

  初步要提供的功能如下:

  1、可以开始和停止任务

  2、任务有优先级区分

  3、可以进行系统延时

  4、可以知道任务的运行时间

  5、可以动态创建和销毁任务

  因此,初步设计的数据结构如下:

 1 /* 任务状态 */
 2 typedef enum _TaskState
 3 {
 4     TASK_STATE_STOP = 0,          /* 停止 */
 5     TASK_STATE_RUNNING            /* 运行 */
 6 } TaskState;
 7 
 8 /* 任务结构 */
 9 typedef struct _Task
10 {
11     uint32_t *pStkPtr;            /* 堆栈指针 */
12     uint32_t *pStkBase;           /* 堆栈基地址 */
13     uint32_t StkSize;             /* 堆栈大小 */
14     uint32_t DelayTime;           /* 任务延时时间(系统周期) */
15     uint8_t Priority;             /* 任务优先级 */
16     uint8_t State;                /* 任务状态 */
17     uint32_t RunTime;             /* 任务总运行时间(系统周期) */
18     
19     /* 开始任务 */
20     bool (*Start)(struct _Task * const pTask);
21     
22     /* 停止任务 */
23     bool (*Stop)(struct _Task * const pTask);
24     
25     /* 销毁任务 */
26     void (*Dispose)(struct _Task * const pTask);
27     
28     /* 延时任务 */
29     bool (*Delay)(struct _Task * const pTask, uint32_t tick);
30 } Task;

  为Zorb
Framework提供的任务功能比较简单,状态也只有运行和关闭两种状态。任务功能实现的关键在于任务调度,而任务调度的核心又在于任务堆栈的保存和恢复。这部分需要根据使用的芯片进行修改,在STM32中,通过触发PendSV异常进行任务切换:

 1 /******************************************************************************
 2  * 描述  :PendSV异常处理
 3  * 参数  :无
 4  * 返回  :无
 5 ******************************************************************************/
 6 __asm void PendSV_Handler(void)
 7 {
 8     IMPORT  pCurrentTask
 9     IMPORT  pTopPriorityTask
10     
11     /* 任务的保存,即把CPU寄存器的值存储到任务的堆栈中 */
12     /* 关中断,NMI和HardFault除外 */
13     CPSID   I
14     
15     /* 判断是否第一次运行 */
16     MRS     R0, PSP
17     CBZ     R0, PendSVHandler_NotSave
18     
19     /**
20         在进入PendSV异常的时候,当前CPU的xPSR,PC(任务入口地址),
21         R14,R12,R3,R2,R1,R0会自动存储到当前任务堆栈,同时递减PSP的值
22     **/
23     /* 手动存储CPU寄存器R4-R11的值到当前任务的堆栈 */
24     STMDB   R0!, {R4-R11}
25     
26     /* R0指向pCurrentTask的堆栈指针(指向空闲位置的顶部) */
27     LDR     R1, = pCurrentTask
28     LDR     R1, [R1]
29     STR     R0, [R1]
30     NOP
31     
32 /* 任务的切换,即把下一个要运行的任务的堆栈内容加载到CPU寄存器中 */
33 PendSVHandler_NotSave
34 
35     /* 等效操作pCurrentTask = pTopPriorityTask; */
36     LDR     R0, = pCurrentTask
37     LDR     R1, = pTopPriorityTask
38     LDR     R2, [R1]
39     STR     R2, [R0]
40     
41     /* pTopPriorityTask的信息出栈 */
42     LDR     R0, [R2]
43     LDMIA   R0!, {R4-R11}
44     
45     /* 设置PSP指向下一个要执行的任务的堆栈的栈底(已弹出了寄存器信息) */
46     MSR     PSP, R0
47     /* 确保异常返回使用的堆栈指针是PSP */
48     ORR     LR, LR, #0x04 /* 设置LR寄存器的位2为1 */
49     CPSIE   I /* 开中断 */
50     
51     /**
52         函数返回,这个时候任务堆栈中的剩下内容将会自动加载到
53         xPSR,PC(任务入口地址),R14,R12,R3,R2,R1,R0(任务的形参)
54         同时PSP的值也将更新,即指向任务堆栈的栈顶。
55         在STM32中,堆栈是由高地址向低地址生长的
56     **/
57     BX      LR
58     NOP
59 }

  具体实现请看附件代码或在文末的github地址拉框架源码。

 

二、状态机设计

  我们先来看看要实现的状态机提供什么功能:

  初步要提供的功能如下:

  1、可以设置初始状态

  2、可以进行状态转换

  3、可以进行信号调度

  4、最好可以在进入和离开状态的时候可以做一些自定义的事情

  5、最好可以有子状态机

  因此,初步设计的数据结构如下: 

 1 /* 状态机结构 */
 2 struct _Fsm
 3 {
 4     uint8_t Level;                  /* 嵌套层数,根状态机层数为1,子状态机层数自增 */
 5                                     /* 注:严禁递归嵌套和环形嵌套 */
 6     List *ChildList;                /* 子状态机列表 */
 7     Fsm *Owner;                     /* 父状态机 */
 8     IFsmState OwnerTriggerState;    /* 当父状态机为设定状态时,才触发当前状态机 */
 9                                     /* 若不设定,则当执行完父状态机,立即运行子状态机 */
10     IFsmState CurrentState;         /* 当前状态 */
11     bool IsRunning;                 /* 是否正在运行(默认关) */
12     
13     /* 设置初始状态 */
14     void (*SetInitialState)(Fsm * const pFsm, IFsmState initialState);
15     
16     /* 运行当前状态机 */
17     bool (*Run)(Fsm * const pFsm);
18     
19     /* 运行当前状态机和子状态机 */
20     bool (*RunAll)(Fsm * const pFsm);
21     
22     /* 停止当前状态机 */
23     bool (*Stop)(Fsm * const pFsm);
24     
25     /* 停止当前状态机和子状态机 */
26     bool (*StopAll)(Fsm * const pFsm);
27     
28     /* 释放当前状态机 */
29     bool (*Dispose)(Fsm * const pFsm);
30     
31     /* 释放当前状态机和子状态机 */
32     bool (*DisposeAll)(Fsm * const pFsm);
33     
34     /* 添加子状态机 */
35     bool (*AddChild)(Fsm * const pFsm, Fsm * const pChildFsm);
36     
37     /* 移除子状态机(不释放空间) */
38     bool (*RemoveChild)(Fsm * const pFsm, Fsm * const pChildFsm);
39     
40     /* 调度状态机 */
41     bool (*Dispatch)(Fsm * const pFsm, FsmSignal const signal);
42     
43     /* 状态转移 */
44     void (*Transfer)(Fsm * const pFsm, IFsmState nextState);
45     
46     /* 状态转移(触发转出和转入事件) */
47     void (*TransferWithEvent)(Fsm * const pFsm, IFsmState nextState);
48 };

  关于信号,Zorb Framework做了以下定义:

1 /* 状态机信号0-31保留,用户信号在32以后定义 */
2 enum {
3     FSM_NULL_SIG = 0,
4     FSM_ENTER_SIG,
5     FSM_EXIT_SIG,
6     FSM_USER_SIG_START = 32
7     /* 用户信号请在用户文件定义,不允许在此定义 */
8 };

  其中,0-31为框架信号,用户信号在32之后定义。

  状态机已经设计好了,具体实现请看附件代码或在文末的github地址拉框架源码。

 

三、任务结果测试

  简单的测试代码如下:

  1 /**
  2   *****************************************************************************
  3   * @file    app_task.c
  4   * @author  Zorb
  5   * @version V1.0.0
  6   * @date    2018-06-28
  7   * @brief   任务测试的实现
  8   *****************************************************************************
  9   * @history
 10   *
 11   * 1. Date:2018-06-28
 12   *    Author:Zorb
 13   *    Modification:建立文件
 14   *
 15   *****************************************************************************
 16   */
 17 
 18 #include "app_task.h"
 19 #include "zf_includes.h"
 20 
 21 static Task *pTask1; /* 任务1 */
 22 static Task *pTask2; /* 任务2 */
 23 static Task *pTask3; /* 任务3 */
 24 
 25 static void Process1(void *pArg); /* 任务1程序定义 */
 26 static void Process2(void *pArg); /* 任务2程序定义 */
 27 static void Process3(void *pArg); /* 任务3程序定义 */
 28 
 29 /******************************************************************************
 30  * 描述  :任务1程序
 31  * 参数  :(in)-pArg  参数指针
 32  * 返回  :无
 33 ******************************************************************************/
 34 static void Process1(void *pArg)
 35 {
 36     ZF_DEBUG(LOG_D, "\r\n");
 37     ZF_DEBUG(LOG_D, "system time is %dms\r\n", ZF_SYSTIME_MS());
 38     ZF_DEBUG(LOG_D, "I am %s\r\n", (char *)pArg);
 39     ZF_DEBUG(LOG_D, "task count is %d\r\n", TASK_GET_TASK_COUNT());
 40     
 41     ZF_DEBUG(LOG_D, "I will create task3\r\n");
 42     
 43     /* 创建任务3 */
 44     Task_create(&pTask3, Process3, "task3", 3, 256);
 45     
 46     ZF_DEBUG(LOG_D, "task count is %d\r\n", TASK_GET_TASK_COUNT());
 47     
 48     ZF_DEBUG(LOG_D, "I will dispose myself\r\n");
 49     
 50     pTask1->Dispose(pTask1);
 51 }
 52 
 53 /******************************************************************************
 54  * 描述  :任务2程序
 55  * 参数  :(in)-pArg  参数指针
 56  * 返回  :无
 57 ******************************************************************************/
 58 static void Process2(void *pArg)
 59 {
 60     while(1)
 61     {
 62         ZF_DEBUG(LOG_D, "\r\n");
 63         ZF_DEBUG(LOG_D, "system time is %dms\r\n", ZF_SYSTIME_MS());
 64         ZF_DEBUG(LOG_D, "I am %s\r\n", (char *)pArg);
 65         ZF_DEBUG(LOG_D, "task count is %d\r\n", TASK_GET_TASK_COUNT());
 66         ZF_DEBUG(LOG_D, "I will sleep 1000ms\r\n");
 67         ZF_DEBUG(LOG_D, "wake up time is %dms\r\n", ZF_SYSTIME_MS() + 1000);
 68         ZF_DELAY_MS(1000);
 69     }
 70 }
 71 
 72 /******************************************************************************
 73  * 描述  :任务3程序
 74  * 参数  :(in)-pArg  参数指针
 75  * 返回  :无
 76 ******************************************************************************/
 77 static void Process3(void *pArg)
 78 {
 79     while(1)
 80     {
 81         ZF_DEBUG(LOG_D, "\r\n");
 82         ZF_DEBUG(LOG_D, "system time is %dms\r\n", ZF_SYSTIME_MS());
 83         ZF_DEBUG(LOG_D, "I am %s\r\n", (char *)pArg);
 84         ZF_DEBUG(LOG_D, "task count is %d\r\n", TASK_GET_TASK_COUNT());
 85         ZF_DEBUG(LOG_D, "I will sleep 1000ms\r\n");
 86         ZF_DEBUG(LOG_D, "wake up time is %dms\r\n", ZF_SYSTIME_MS() + 1000);
 87         ZF_DELAY_MS(1000);
 88     }
 89 }
 90 
 91 /******************************************************************************
 92  * 描述  :任务初始化
 93  * 参数  :无
 94  * 返回  :无
 95 ******************************************************************************/
 96 void App_Task_init(void)
 97 {
 98     /* 创建任务1 */
 99     Task_create(&pTask1, Process1, "task1", 1, 512);
100     /* 创建任务1 */
101     Task_create(&pTask2, Process2, "task2", 2, 512);
102     /* 运行任务系统 */
103     Task_run();
104     
105     /* 程序不会到这 */
106 }
107 
108 /******************************** END OF FILE ********************************/

  结果:

system time is 3ms
I am task1
task count is 3
I will create task3
task count is 4
I will dispose myself

system time is 13ms
I am task2
task count is 3
I will sleep 1000ms
wake up time is 1019ms

system time is 21ms
I am task3
task count is 3
I will sleep 1000ms
wake up time is 1028ms

system time is 1021ms
I am task2
task count is 3
I will sleep 1000ms
wake up time is 2027ms

system time is 1030ms
I am task3
task count is 3
I will sleep 1000ms
wake up time is 2036ms

system time is 2029ms
I am task2
task count is 3
I will sleep 1000ms
wake up time is 3035ms

system time is 2038ms
I am task3
task count is 3
I will sleep 1000ms
wake up time is 3044ms

省略...

 

三、状态机结果测试

  简单的测试代码如下:

  1 /**
  2   *****************************************************************************
  3   * @file    app_fsm.c
  4   * @author  Zorb
  5   * @version V1.0.0
  6   * @date    2018-06-28
  7   * @brief   状态机测试的实现
  8   *****************************************************************************
  9   * @history
 10   *
 11   * 1. Date:2018-06-28
 12   *    Author:Zorb
 13   *    Modification:建立文件
 14   *
 15   *****************************************************************************
 16   */
 17 
 18 #include "app_fsm.h"
 19 #include "zf_includes.h"
 20 
 21 /* 定义用户信号 */
 22 enum Signal
 23 {
 24     SAY_HELLO = FSM_USER_SIG_START
 25 };
 26 
 27 Fsm *pFsm;        /* 父状态机 */
 28 Fsm *pFsmSon;     /* 子状态机 */
 29 
 30 /* 父状态机状态1 */
 31 static void State1(Fsm * const pFsm, FsmSignal const fsmSignal);
 32 /* 父状态机状态2 */
 33 static void State2(Fsm * const pFsm, FsmSignal const fsmSignal);
 34 
 35 /******************************************************************************
 36  * 描述  :父状态机状态1
 37  * 参数  :-pFsm       当前状态机
 38  *         -fsmSignal  当前调度信号
 39  * 返回  :无
 40 ******************************************************************************/
 41 static void State1(Fsm * const pFsm, FsmSignal const fsmSignal)
 42 {
 43     switch(fsmSignal)
 44     {
 45         case FSM_ENTER_SIG:
 46             ZF_DEBUG(LOG_D, "enter state1\r\n");
 47             break;
 48         
 49         case FSM_EXIT_SIG:
 50             ZF_DEBUG(LOG_D, "exit state1\r\n\r\n");
 51             break;
 52         
 53         case SAY_HELLO:
 54             ZF_DEBUG(LOG_D, "state1 say hello, and want to be state2\r\n");
 55             /* 切换到状态2 */
 56             pFsm->TransferWithEvent(pFsm, State2);
 57             break;
 58     }
 59 }
 60 
 61 /******************************************************************************
 62  * 描述  :父状态机状态2
 63  * 参数  :-pFsm       当前状态机
 64  *         -fsmSignal  当前调度信号
 65  * 返回  :无
 66 ******************************************************************************/
 67 static void State2(Fsm * const pFsm, FsmSignal const fsmSignal)
 68 {
 69     switch(fsmSignal)
 70     {
 71         case FSM_ENTER_SIG:
 72             ZF_DEBUG(LOG_D, "enter state2\r\n");
 73             break;
 74         
 75         case FSM_EXIT_SIG:
 76             ZF_DEBUG(LOG_D, "exit state2\r\n\r\n");
 77             break;
 78         
 79         case SAY_HELLO:
 80             ZF_DEBUG(LOG_D, "state2 say hello, and want to be state1\r\n");
 81             /* 切换到状态1 */
 82             pFsm->TransferWithEvent(pFsm, State1);
 83             break;
 84     }
 85 }
 86 
 87 /******************************************************************************
 88  * 描述  :子状态机状态
 89  * 参数  :-pFsm       当前状态机
 90  *         -fsmSignal  当前调度信号
 91  * 返回  :无
 92 ******************************************************************************/
 93 static void SonState(Fsm * const pFsm, FsmSignal const fsmSignal)
 94 {
 95     switch(fsmSignal)
 96     {
 97         case SAY_HELLO:
 98             ZF_DEBUG(LOG_D, "son say hello only in state2\r\n");
 99             break;
100     }
101 }
102 
103 /******************************************************************************
104  * 描述  :任务初始化
105  * 参数  :无
106  * 返回  :无
107 ******************************************************************************/
108 void App_Fsm_init(void)
109 {
110     /* 创建父状态机,并设初始状态 */
111     Fsm_create(&pFsm);
112     pFsm->SetInitialState(pFsm, State1);
113     
114     /* 创建子状态机,并设初始状态 */
115     Fsm_create(&pFsmSon);
116     pFsmSon->SetInitialState(pFsmSon, SonState);
117     
118     /* 设置子状态机仅在父状态State2触发 */
119     pFsmSon->OwnerTriggerState = State2;
120     
121     /* 把子状态机添加到父状态机 */
122     pFsm->AddChild(pFsm, pFsmSon);
123     
124     /* 运行状态机 */
125     pFsm->RunAll(pFsm);
126 }
127 
128 /******************************************************************************
129  * 描述  :任务程序
130  * 参数  :无
131  * 返回  :无
132 ******************************************************************************/
133 void App_Fsm_process(void)
134 {
135     ZF_DELAY_MS(1000);
136     /* 每1000ms调度状态机,发送SAY_HELLO信号 */
137     pFsm->Dispatch(pFsm, SAY_HELLO);
138 }
139 
140 /******************************** END OF FILE ********************************/

  结果:

state1 say hello, and want to be state2
exit state1

enter state2
son say hello only in state2
state2 say hello, and want to be state1
exit state2

enter state1
state1 say hello, and want to be state2
exit state1

enter state2
son say hello only in state2
state2 say hello, and want to be state1
exit state2

enter state1
state1 say hello, and want to be state2
exit state1

省略...

 

四、最后

  本篇为Zorb
Framework提供了任务功能。使用多任务功能进行开发是方便了许多,但同时任务间的协作和资源调用加大了调试和排错的难度。在享受多任务带来的快乐的同时,要做好排错时痛苦的准备。

 

  Zorb Framework
github:https://github.com/54zorb/Zorb-Framework

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四、最后

  本篇为Zorb
Framework提供了状态机功能,复杂的状态转换关系被分解成了一个个状态函数,然后在状态函数中仅仅需要处理本状态出现的情况,忽然感觉世界变得简单很多。后面再配上即将为框架添加的事件功能,会让状态机的功能发挥到极致。

 

  Zorb Framework
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