【RTOS知识点】RTOS相关知识点（更新中）

一、什么是任务？

在裸机系统中，系统的主体就是 main 函数里面顺序执行的无限循环，这个无限循环里

面 CPU 按照顺序完成各种事情。在多任务系统中，我们根据功能的不同，把整个系统分割

成一个个独立的且无法返回的函数，这个函数我们称为任务。具体代码如下：

void task_entry (void *parg)
{
/* 任务主体，无限循环且不能返回 */
  for (;;)
 {
/* 任务主体代码 */
 }
}

二、操作模式以及特权级别

1、操作模式：处理者模式(handler mode，以后不再把 handler 中译——译注)和线程模式（thread mode）。引入两个模式的本意，是用于区别异常服务例程的代码——包括中断服务例程的代码，普通应用程序的代码。

2、特权级别：特权级和用户级，主要是提供一种存储器访问的保护机制，使得普通的用户程序代码不能意外地，甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。

合法的操作流程如下图：（如果看不懂可以参考CM3权威指南）

三、Cortex-M3 的双堆栈机制

1、堆栈指针：

主堆栈指针（MSP），或写作SP_main。这是缺省的堆栈指针，它由OS内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。
进程堆栈指针（PSP），或写作SP_process。用于常规的应用程序代码（不处于异常服用例程中时）。

2、当 CONTROL[1]=0 时，只使用 MSP ，此时用户程序和异常 handler 共享同一个堆栈。

3、当 CONTROL[1]=1 时，线程模式将不再使用 MSP ，而改用 PSP （ handler 模式永远使用 MSP）。进入异常时的自动压栈使用的是进程堆栈，进入异常 handler 后才自动改为 MSP，退出异常时切换回PSP，并且从进程堆栈上弹出数据。

四、异常返回

当异常服务例程执行完毕后，需要很正式地做一个“异常返回”动作序列，从而恢复先前的系统状态，才能使被中断的程序得以继续执行。从形式上看，有3种途径可以触发异常返回序列，如表9.2所示。而不管使用哪一种，都需要用到先前储到LR的EXC_RETURN。

在进入异常服务程序后，将自动更新LR的值为特殊的EXC_RETURN。这是一个高 28位全为1的值，只有[3:0]的值有特殊含义，如表9.3所示。当异常服务例程把这个值送往PC时，就会启动处理器的中断返回序列。因为LR的值是由CM3自动设置的，所以只要没有特殊需求，就不要改动它。

如果主程序在线程模式下运行，并且在使用MSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFF9（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。如果主程序在线程模式下运行，并且在使用PSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFFD（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。

如果主程序在Handler模式下运行，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFF1（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。这时的所谓“主程序”，其实更可能是被抢占的服务例程。事实上，在嵌套时，更深层ISR所看到的LR总是0xFFFF_FFF1，如图9.5所示。

五、什么是临界段

临界段用一句话概括就是一段在执行的时候不能被中断的代码段。在 FreeRTOS 里面，这个临界段最常出现的就是对全局变量的操作。那么什么情况下临界段会被打断？一个是系统调度，还有一个就是外部中断。在FreeRTOS，系统调度，最终也是产生 PendSV中断，在 PendSV Handler 里面实现任务的切换，所以还是可以归结为中断。既然这样，FreeRTOS对临界段的保护最终还是回到对中断的开和关的控制。

为了快速地开关中断， Cortex-M 内核专门设置了一条 CPS 指令，有 4 种用法。

1 CPSID I ;PRIMASK=1 ;关中断
2 CPSIE I ;PRIMASK=0 ;开中断
3 CPSID F ;FAULTMASK=1 ;关异常
4 CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常

PRIMASK 和 FAULTMAST 是 Cortex-M内核里面三个中断屏蔽寄存器中的两个，还有一个是 BASEPRI。在 FreeRTOS中，对中断的开和关是通过操作 BASEPRI 寄存器来实现的，即大

于等于 BASEPRI 的值的中断会被屏蔽，小于 BASEPRI 的值的中断则不会被屏蔽，不受FreeRTOS 管理。

六、空闲任务和阻塞延时

空闲任务：空闲任务是系统在【启动调度器】的时候创建的优先级最低的任务，空闲任务主体主要是做一些系统内存的清理工作。当任务需要延时，进入阻塞状态，那 CPU 又去干什么事情了？如果没有其它任务可以运行，RTOS 都会为CPU创建一个空闲任务，这个时候 CPU 就运行空闲任务。

阻塞延时：即任务需要延时的时候，任务会放弃CPU的使用权，CPU可以去干其它的事情，当任务延时时间到，重新获取CPU使用权，任务继续运行，这样就充分地利用了CPU的资源。

七、任务优先级

就绪列表 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ]是一个数组，数组里面存的是就绪任务的 TCB（准确来说是 TCB 里面的 xStateListItem 节点），数组的下标对应任务的优先级，优先级越低对应的数组下标越小。空闲任务的优先级最低，对应的是下标为 0 的链表。任务在创建的时候，会根据任务的优先级将任务插入到就绪列表不同的位置。相同优先级的任务插入到就绪列表里面的同一条链表中，即时间片的支持。

八、延时列表

在 FreeRTOS 中，有一个任务延时列表（实际上有两个，为了方便讲解原理，我们假装合并为一个，其实两个的作用是一样的），当任务需要延时的时候，则先将任务挂起，即先将任务从就绪列表删除，然后插入到任务延时列表，同时更新下一个任务的解锁时刻变量：xNextTaskUnblockTime 的值。

xNextTaskUnblockTime 的值等于系统时基计数器的值 xTickCount 加上任务需要延时的值 xTicksToDelay。当系统时基计数器 xTickCount 的值与 xNextTaskUnblockTime 相等时，就表示有任务延时到期了，需要将该任务就绪。

任务延时列表表维护着一条双向链表，每个节点代表了正在延时的任务，节点按照延时时间大小做升序排列。当每次时基中断（SysTick 中断）来临时，就拿系统时基计数器的值 xTickCount 与下一个任务的解锁时刻变量 xNextTaskUnblockTime 的值相比较，如果相等，则表示有任务延时到期，需要将该任务就绪，否则只是单纯地更新系统时基计数器 xTickCount 的值，然后进行任务切换。

九、时间片

FreeRTOS 与隔壁的 RT-Thread 和 μC/OS 一样，都支持时间片的功能。所谓时间片就

是同一个优先级下可以有多个任务，每个任务轮流地享有相同的 CPU 时间，享有 CPU 的

时间我们叫时间片。在 RTOS 中，最小的时间单位为一个 tick ，即 SysTick 的中断周期，

RT-Thread 和 μC/OS 可以指定时间片的大小为多个 tick ，但是 FreeRTOS 不一样，时间片只

能是一个 tick 。与其说 FreeRTOS 支持时间片，倒不如说它的时间片就是正常的任务调度。

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