FreeRTOS 任务调度

开启任务调度器

vTaskStartScheduler()作用：

用于启动任务调度器，任务调度器启动后， FreeRTOS 便会开始进行任务调度

该函数内部实现，如下：

创建空闲任务：prvIdleTask

 #else /* if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) */
        {
            /* The Idle task is being created using dynamically allocated RAM. */
            xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,
                                   configIDLE_TASK_NAME,
                                   configMINIMAL_STACK_SIZE,
                                   ( void * ) NULL,
                                   portPRIVILEGE_BIT,  
/* In effect ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ), but tskIDLE_PRIORITY is zero. */
                                   &xIdleTaskHandle ); 
/*lint !e961 MISRA exception, justified as it is not a redundant explicit cast to all supported compilers. */
        }
#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */

如果使能软件定时器，则创建定时器任务。创建软件定时器任务：xTimerCreateTimerTask

 #if ( configUSE_TIMERS == 1 )
        {
            if( xReturn == pdPASS )
            {
                xReturn = xTimerCreateTimerTask();
            }
            else
            {
                mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
            }
        }
 #endif /* configUSE_TIMERS */

关中断（在启动第一个任务时开启）防止调度器开启之前或过程中，受中断干扰，会在运行第一个任务时打开中断

/* Interrupts are turned off here, to ensure a tick does not occur
 * before or during the call to xPortStartScheduler().  The stacks of
 * the created tasks contain a status word with interrupts switched on
 * so interrupts will automatically get re-enabled when the first task
 * starts to run. */
portDISABLE_INTERRUPTS();

初始化全局变量，并将任务调度器的运行标志设置为已运行

   xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
   xSchedulerRunning = pdTRUE;
   xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;

初始化任务运行时间统计功能的时基定时器

/* If configGENERATE_RUN_TIME_STATS is defined then the following
   * macro must be defined to configure the timer/counter used to generate
   * the run time counter time base.   NOTE:  If configGENERATE_RUN_TIME_STATS
   * is set to 0 and the following line fails to build then ensure you do not
   * have portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() defined in your
   * FreeRTOSConfig.h file. */
   portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
   traceTASK_SWITCHED_IN();

调用函数 xPortStartScheduler（）完成启动任务调度器

/* Setting up the timer tick is hardware specific and thus in the
 * portable interface. */
if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
{
 /* Should not reach here as if the scheduler is running the
  * function will not return. */
}
else
{
 /* Should only reach here if a task calls xTaskEndScheduler(). */
}

xPortStartScheduler() 作用：

该函数用于完成启动任务调度器中与硬件架构相关的配置部分，以及启动第一个任务

该函数内部实现，如下：

检测用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中对中断的相关配置是否有误

配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级

/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */
 portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;

 portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

调用函数 vPortSetupTimerInterrupt ( ) 配置 SysTick

/* Start the timer that generates the tick ISR.  Interrupts are disabled
 * here already. */
vPortSetupTimerInterrupt();

初始化临界区嵌套计数器为 0

 /* Initialise the critical nesting count ready for the first task. */
 uxCriticalNesting = 0;

调用函数 prvEnableVFP() 使能 FPU（F1系列没有该功能）

调用函数 prvStartFirstTask() 启动第一个任务

/* Start the first task. */
    prvStartFirstTask();

启动第一个任务

prvStartFirstTask ()作用：

开启第一个任务，用于初始化启动第一个任务前的环境，主要是重新设置MSP 指针，并使能全局中断

MSP指针

程序在运行过程中需要一定的栈空间来保存局部变量等一些信息。当有信息保存到栈中时， MCU 会自动更新 SP 指针，ARM Cortex-M 内核提供了两个栈空间：

主堆栈指针（MSP）：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）：用于常规的应用程序代码（不处于异常服务例程中时）。

在FreeRTOS中，中断使用MSP（主堆栈），中断以外使用PSP（进程堆栈）

取 MSP 的初始值的思路是先根据向量表的位置寄存器 VTOR (0xE000ED08) 来获取向量表存储的地址；在根据向量表存储的地址，来访问第一个元素，也就是初始的 MSP

/*--------------------汇编语言------------------------------*/
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
/* *INDENT-OFF* */
    PRESERVE8   //8字节对齐

    /* 使用NVIC偏移寄存器定位堆栈 */
    ldr r0, =0xE000ED08 
//将地址0xE000ED08加载到寄存器r0中。这个地址是NVIC中的一个寄存器，用于存储主堆栈指针（MSP）的当前值。
    ldr r0, [ r0 ] 
//从r0指向的地址（即0xE000ED08）加载值到r0。r0中存储的是另一个地址，这个地址指向实际的MSP值。
    ldr r0, [ r0 ]
//再次从r0指向的地址加载值到r0。现在，r0中存储的是MSP的值。

    /* 设置MSP回到堆栈的开始 */
    msr msp, r0
//将r0中的值（即MSP的值）设置回MSP寄存器。这通常是在系统启动或任务切换时进行的，以确保堆栈指针指向正确的位置。
    /* 全局启用中断 */
    cpsie i  //启用IRQ中断。
    cpsie f  //启用FIQ中断。
    dsb      //确保之前的指令完成执行。
    isb      //清理指令流水线，确保之前的指令更改立即生效。
    /* 调用SVC启动第一个任务 */
    svc 0
//通过SVC指令调用系统服务，0是传递给服务的参数。这通常用于请求操作系统服务，如启动第一个任务。
    nop     //无操作指令，用于确保svc指令有足够的时间执行。
    nop
/* *INDENT-ON* */
}

vPortSVCHandler ( )作用：

SVC中断服务函数；当使能了全局中断，并且手动触发 SVC 中断后，就会进入到 SVC 的中断服务函数中

通过 pxCurrentTCB 获取优先级最高的就绪态任务的任务栈地址，优先级最高的就绪态任务是系统将要运行的任务
通过任务的栈顶指针，将任务栈中的内容出栈到 CPU 寄存器中，任务栈中的内容在调用任务创建函数的时候，已初始化，然后设置 PSP 指针。
通过往 BASEPRI 寄存器中写 0，允许中断。
R14 是链接寄存器 LR，在 ISR 中（此刻我们在 SVC 的 ISR 中），它记录了异常返回值 EXC_RETURN

而EXC_RETURN 只有 6 个合法的值（M4、M7）（M3系列只有3个），如下表所示：

描述	使用浮点单元	未使用浮点单元
中断返回后进入Hamdler模式，并使用MSP	0xFFFFFFE1	0xFFFFFFF1
中断返回后进入线程模式，并使用 MSP	0xFFFFFFE9	0xFFFFFFF9
中断返回后进入线程模式，并使用 PSP	0xFFFFFFED	0xFFFFFFFD

注意：SVC中断只在启动第一次任务时会调用一次，以后均不调用

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
/* *INDENT-OFF* */
    PRESERVE8

    ldr r3, = pxCurrentTCB  
//将pxCurrentTCB的地址加载到寄存器r3中。pxCurrentTCB是一个指向当前任务控制块（TCB）的指针。
    ldr r1, [ r3 ] 
//从r3指向的地址（即pxCurrentTCB）加载值到r1，这样r1就指向了当前任务的TCB。
    ldr r0, [ r1 ]         
//从r1指向的地址（即当前任务的TCB）加载值到r0，r0现在包含了当前任务的栈顶地址。
    ldmia r0 !, { r4 - r11 } 
//从r0指向的地址（即当前任务的栈顶）加载一系列寄存器（r4到r11），!表示更新r0的值，即栈指针向上移动。
    msr psp, r0
//将r0的值（更新后的栈指针）设置为主栈指针（PSP）。
    isb
//指令同步屏障，确保之前的指令执行完成。
    mov r0, # 0
//将0移动到r0寄存器，准备设置基本优先级寄存器。
    msr basepri, r0
//将r0的值（0）设置为基本优先级寄存器（BASEPRI），这样可以允许所有优先级的中断。
    orr r14, # 0xd
//将r14寄存器的值与0xd进行或操作，这通常用于设置返回地址或模式。
    bx r14
//从r14寄存器指向的地址返回，继续执行被SVC异常打断的代码。
/* *INDENT-ON* */
}

出栈

出栈（恢复现场），方向：从下往上（低地址往高地址）：假设r0地址为0x04汇编指令示例：

ldmia r0!, {r4-r6}

任务栈r0地址由低到高，将r0存储地址里面的内容手动加载到 CPU寄存器r4、r5、

压栈

压栈（保存现场），方向：从上往下（高地址往低地址）：假设r0地址为0x10汇编指令示例：

stmdb r0!, {r4-r6}

r0的存储地址由高到低递减，将r4、r5、r6里的内容存储到r0的任务栈里面。

任务切换

任务切换的本质：就是CPU寄存器的切换。（任务切换的过程在PendSV中断服务函数里边完成）

假设当由任务A切换到任务B时，主要分为两步：

第一步：需暂停任务A的执行，并将此时任务A的寄存器保存到任务堆栈，这个过程叫做保存现场；

第二步：将任务B的各个寄存器值（被存于任务堆栈中）恢复到CPU寄存器中，这个过程叫做恢复现场；对任务A保存现场，对任务B恢复现场，这个整体的过程称之为：上下文切换

PendSV中断服务函数

本质：通过向中断控制和状态寄存器 ICSR 的bit28 写入 1 挂起 PendSV 来启动 PendSV 中断

滴答定时器中断调用
执行FreeRTOS提供的相关API函数：portYIELD()

/*-------------------------------------------------------------------*/

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
    extern uxCriticalNesting;
    extern pxCurrentTCB;
    extern vTaskSwitchContext;
   //外部变量声明

    PRESERVE8
/*-------------------保存当前任务的上下文------------------------------*/
    mrs r0, psp 
//使用mrs指令将程序状态寄存器（PSP）的值读取到寄存器r0中。PSP用于存储任务级别的堆栈指针。
    isb
//禁用中断  

    ldr r3, =pxCurrentTCB 
    ldr r2, [ r3 ]
//将当前任务的TCB地址（存储在r3中）和TCB本身（存储在r2中）加载到寄存器中。

    stmdb r0 !, { r4 - r11 } 
//使用stmdb指令将寄存器r4到r11的值保存到当前任务的堆栈中
    str r0, [ r2 ] 
//将PSP的值存储到TCB中，以便在任务恢复时能够找到其堆栈。

/*----------------------准备任务切换-----------------------------------*/
    stmdb sp !, { r3, r14 }
//将r3（和r14压入系统堆栈（使用sp）。
    mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
    msr basepri, r0
//设置basepri寄存器为configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY，
//以确保在任务切换期间不会被更高优先级的中断打断。
    dsb
    isb

/*---------------------执行任务切换-------------------------------------*/
    bl vTaskSwitchContext
//调用vTaskSwitchContext函数进行任务切换。
    mov r0, #0
    msr basepri, r0
//将basepri寄存器清零，允许所有中断。
    ldmia sp !, { r3, r14 }
//从系统堆栈中恢复r3和r14寄存器的值。

/*-------------------恢复新任务的上下文-----------------------------------*/
    ldr r1, [ r3 ]
    ldr r0, [ r1 ] 
//从新任务的TCB中加载堆栈指针（PSP）到r0。
    ldmia r0 !, { r4 - r11 } 
//使用ldmia指令从堆栈中恢复r4到r11寄存器的值。
    msr psp, r0
//将PSP寄存器的值更新为新任务的堆栈指针。
    isb
//禁用中断
    bx r14
//使用bx指令跳转到链接寄存器（r14）中存储的地址，即新任务的执行点。
    nop

/*-----------------------------------------------------------*/

vTaskSwitchContext( )

查找最高优先级任务

通过这个函数在vTaskSwitchContext( )中taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK( ) 函数完成

#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                                                  
    {                                                                                           
        UBaseType_t uxTopPriority;                                                                                                                                     /* Find the highest priority list that contains ready tasks. */                         
        portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );                          
        configASSERT( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) > 0 ); 
        listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );   
    } 
/* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() */

 #define portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxReadyPriorities )    uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )

前导置零指令（__clz( ( uxReadyPriorities ) ）

可以简单理解为计算一个 32位数，头部 0 的个数（通过前导置零指令获得最高优先级）

listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );

通过该函数获取当前最高优先级任务的任务控制块

#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList )                                           
    {                                                                                          
        List_t * const pxConstList = ( pxList );                                               
                            
        ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;                           
        if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) ) 
        {                                                                                      
            ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;                       
        }                                                                                      
        ( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner;                                         
    }