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# Linux 讀書會 2021/1/25 FreeRTOS 介紹

### Task vs. process, is there really any difference?

The term "task" is mostly used in the context of scheduling*, when it can refer to either a thread or a *process***, that can be scheduled to run on a processor.
From the scheduler's point of view there might be little-to-no difference between a thread and a process - both represent a task that must be scheduled.

Recently, the term "task" is gaining more-widespread usage, especially among .NET developers, thanks to e.g. the Task Parallel Library. Within it, tasks are units of work that can be scheduled to run on threads from a pool of worker threads.

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### OS 中 heap 和 stack 的區別

**1.Stack**
用來儲存 Value Types (Primitives)的地方，其特性是 LIFO （後進先出），用來儲存物件的 stack 與 run-time 的 call stack 運作原理是一樣的，run-time 的 stack frame 包含了：
* Parameters：函數的參數
* Return address：回傳位址，當function執行完，從哪行code繼續執行
* Local variables：區域變數

Stack frame 存活時間是規律可預測的，只存在於 function 的執行期間，一旦 function 執行完畢，系統會自動回收空間，不需要擔心 Memory Leak 在這裡發生。

**2.Heap:**
用來儲存 Reference Types，new 一個物件即是存在 Heap 裡面，由於是動態配置記憶體空間，其存活時間不規律不可預測的，即使已經執行完動態配置的 function ，物件仍可能存在 Heap 中，這邊會因程式語言有沒有 GC 功能而有所不同：
* 沒有 GC ：像 C++ 就需要用 delete 語法來清除物件
* 有 GC：Java 的 Garbage collector 為了防止 memory leak 會自動釋放 heap 上的記憶體空間

Stack 區段一般的狀況會從高記憶體位址往低記憶體位址成長，而 heap 剛好從對面以相反的方向成長。

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### Task Control Block
作業系統主要的工作都是運行和協調任務，FreeRTOS 的基本工作單元是任務，使用Task Control Block表示每個任務。

typedef struct tskTaskControlBlock
{
  volatile portSTACK_TYPE *pxTopOfStack;                  /* Points to the location of
                                                             the last item placed on 
                                                             the tasks stack.  THIS 
                                                             MUST BE THE FIRST MEMBER 
                                                             OF THE STRUCT. */
                                                         
  xListItem    xGenericListItem;                          /* List item used to place 
                                                             the TCB in ready and 
                                                             blocked queues. */
  xListItem    xEventListItem;                            /* List item used to place 
                                                             the TCB in event lists.*/
  unsigned portBASE_TYPE uxPriority;                      /* The priority of the task
                                                             where 0 is the lowest 
                                                             priority. */
  portSTACK_TYPE *pxStack;                                /* Points to the start of 
                                                             the stack. */
  signed char    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];   /* Descriptive name given 
                                                             to the task when created.
                                                             Facilitates debugging 
                                                             only. */

  #if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
    portSTACK_TYPE *pxEndOfStack;                         /* Used for stack overflow 
                                                             checking on architectures
                                                             where the stack grows up
                                                             from low memory. */
  #endif

  #if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
    unsigned portBASE_TYPE uxBasePriority;                /* The priority last 
                                                             assigned to the task - 
                                                             used by the priority 
                                                             inheritance mechanism. */
  #endif

} tskTCB;

TCB 將Stack的起始位子存在**pxStack**中(也負責向上overflow檢查)，當前的Stack的Top存在**pxTopOfStack**中，**pxEndOfStack**檢查Stack是否overflow。
TCB 將任務的初始優先級存在uxPriority和uxBasePriority中，創建任務時賦予優先級，也可以更改任務的優先級，如果FreeRTOS implements了"inherited" priority，則它將用於uxBasePriority記住原始優先級，同時將任務暫時提升為“繼承的”優先級。
**xGenericListItem** or **xEventListItem** 用來記錄 任務的狀態( ready to run, suspended, or blocked. )

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### Context Switch
**Systick定時器介紹**
SysTick定時器被捆綁在NVIC中，用於產生SYSTICK異常（異常號： 15）。在以前，大多作業系統需要一個硬體定時器來產生作業系統需要的滴答中斷，例如，為多個任務許以不同數目的時間片，確保沒有一個任務能霸佔系統；或者把每個定時器週期的某個時間範圍賜予特定的任務等，還有作業系統提供的各種定時功能，都與這個滴答定時器有關。因此，需要一個定時器來產生週期性的中斷，而且最好還讓使用者程式不能隨意訪問它的暫存器，以維持作業系統“心跳”的節律。

**Basic Concept**
在Task要被switch out之前，需要作以下事情

1. 當SysTick進入IRQ中，PUSH Processor registers r0、r1、r2、r3、r12、LR、PC和xPSR到task的私有Stack Memory區域。
1. 如果需要Context Switch，SysTick將觸發PendSV_Handler。
1. 手動儲存r4-r11和r14至Task私有的Stack Memory區域。
1. 儲存最上層的Stack值至TCB的第一個成員pxTopOfStack。
1. 執行vTaskSwitchContext()選出下一個可能使用CPU資源的Task。

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**PendSV exception**

PendSV對OS操作非常重要，優先權可以透過程式設定，且透過SCB->ICSR中的第28位元來觸發，也就是將其設置為1就能夠觸發PendSV_Handler。

在FreeRTOS中是利用SysTick進入中斷後，由Scheduler來決定是否應該執行Context Switch，來切換到不同的任務，如果其他的中斷請求(IRQ)在SysTick之前產生，則SysTick可能會去搶佔IRQ的處理，這種情況下，FreeRTOS不應該去執行Context Switch，否則IRQ處理就會被延遲，對於IRQ設計應該是越短越好，對於延遲往往會有不可預期的事情發生，以ARM Cortex M3和ARM Cortex M4處理器來說，當Processor進入Handler Mode中，默認是不允許返回Thread Mode，如果試圖想由Handler Mode返回Thread Mode則會產生Usage Fault。


在FreeRTOS設計中，為了要解決這個問題，PendSV的特性就是將Context Switch請求延遲到所有的IRQ處理完成後，此時，需要將PendSV的優先權設置為最低優先權，如果FreeRTOS需要執行Context Switch，他會設置SCB->ICSR |= (1 << 28);，並且在PendSV_Handler中執行Context Switch。

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### ARM Register
ARM的暫存器，全部共有31個32位元的暫存器。但ARM核心同時最多只可以有18個同時執行的暫存器：這包含了16個資料暫存器和2個處理器狀態暫存器，16個資料暫存器中包含了3個專用暫存器，R13、R14和R15。
1. R0-R7：這8個暫存器是所有模式都共用的。
1. R8-R12：則會依照模式去切換Bank Register。
1. R13通常做為堆疊指標Stack Pointer，保存目前處理器模式的堆疊的堆疊頂端。(by convention)
1. R14為Link Register，保存副程式的返回位址，比如在BL指令時，會將PC的值複製到R14，作為返回(Return)的位址。(hardwired)
1. R15為PC(Program Counter)，內容存放處理器要存取的下一道指令位址。(hardwired)


Current Program Status Register (CPSR)
用來儲存條件旗標之外，還有中斷控制位元 I、F，可用來允許或禁止中斷，狀態位元 T 用來記錄處理器是位於正常 (ARM:指令為32位元) 或精簡 (Thumb:指令為16位元) 狀態，處理器模式 Mode 是用來記錄處理器的模式，像是 (User / System / FIQ / SVC / ABT / IRQ / Undef) 等

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學長建議:
1. 根據[成大資工Wiki FreeROTS ](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/freertos)逐漸理解 任務 通訊 硬體界面
1. Arm 架構的暫存器要搞懂，可閱讀陳鍾誠書籍或網站
1. TCB 資料結構理解
1. Task function理解

補充:看code不用每行都看懂，看不懂不用糾結太久，可以記下來先往後看，後面再回頭看說不定就懂了