【学习日记】【FreeRTOS】调度器函数实现详解

写在前面

本文主要是对于 FreeRTOS 中调度器函数实现的详细解释，代码大部分参考了野火 FreeRTOS 教程配套源码，作了一小部分修改。

一、MSP 和 PSP

Cortex-M有两种栈空间，主堆栈和进程堆栈。

MSP 用于系统级别和中断处理的堆栈
- MSP 用于保存中断发生时的堆栈状态以及在特殊操作（例如任务切换）期间的堆栈状态。MSP 在启动时会被设置为合适的内存地址，并在系统级代码运行期间始终保持不变。
PSP 用于任务级别的堆栈
- 用于保存任务执行期间的局部变量、函数调用、参数等。在任务切换时，任务的 PSP 被保存，并加载下一个任务的 PSP。每个任务有自己独立的堆栈空间，并且在任务切换时，PSP 的值会发生变化。

FreeRTOS中：中断用MSP，中断以外用PSP。

二、调度器函数逻辑

在这里插入图片描述

三、调度器函数详解

1.vTaskStartScheduler()

本函数为调度器的启动函数
pxCurrentTCB 是一个在 task.c 定义的全局指针，用于指向当前正在运行或者即将要运行的任务的任务控制块
目前没有使用优先级，所以手动指定第一个运行的任务
调用 xPortStartScheduler() 启动调度器

void vTaskStartScheduler( void )
{/* 手动指定第一个运行的任务 */pxCurrentTCB = &Task1TCB;/* 启动调度器 */if( xPortStartScheduler() != pdFALSE ){/* 调度器启动成功，则不会返回，即不会来到这里 */}
}

2.xPortStartScheduler()

配置PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低
调用函数 prvStartFirstTask()启动第一个任务

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{/*PendSV是一个用于低优先级任务切换的软件中断。通过触发PendSV中断，可以请求处理器在合适的时间切换到更高优先级的任务。PendSV中断具有最低的中断优先级，因此可以在其他中断处理完成后立即执行。*//* 配置PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低 */portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;/* 启动第一个任务，不再返回 */prvStartFirstTask();/* 不应该运行到这里 */return 0;
}

3.prvStartFirstTask()

用于初始化启动第一个任务的环境，主要是重新设置MSP指针，并使能全局中断
被调度器启动函数xPortStartScheduler( void )调用：
prvStartFirstTask函数：

PRESERVE8 指令保留 8 字节栈对齐
取出向量表起始地址对应的内容
使用向量表起始地址对应的内容设置主堆栈指针msp的值
使能全局中断
使用 dsb 和 isb 指令确保数据和指令同步
调用SVC去启动第一个任务

/** 参考资料《STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual》4.4.3，百度搜索“PM0056”即可找到这个文档* 在Cortex-M中，内核外设SCB的地址范围为：0xE000ED00-0xE000ED3F* 0xE000ED008为SCB外设中SCB_VTOR这个寄存器的地址，里面存放的是向量表的起始地址，即MSP的地址*/
__asm void prvStartFirstTask( void )
{/*使用 PRESERVE8 指令保留 8 字节栈对齐*/PRESERVE8/* 在Cortex-M中，0xE000ED08是SCB_VTOR这个寄存器的地址，里面存放的是向量表的起始地址，即MSP的地址 */
//	向量表通常是从内部 FLASH 的起始地址开
//	始存放，那么可知 memory：0x00000000 处存放的就是 MSP 的值。ldr r0, =0xE000ED08ldr r0, [r0]	//把 0xE000ED08 处向量表起始地址取出ldr r0, [r0]	//取出向量表起始地址对应的内容/* 设置主堆栈指针msp的值 */msr msp, r0/* 使能全局中断 */cpsie i	//开中断 PRIMASK=0cpsie f	//开异常 FAULTMASK=0/*使用 dsb 和 isb 指令确保数据和指令同步*/
//1. dsb 指令：dsb 指令用于确保数据的同步。它会强制在 dsb 指令之
//	前的所有数据访问和加载操作完成，然后再继续执行 dsb 指令后面
//	的指令。这样可以确保所有数据操作在 dsb 指令之前都已经完成，
//	避免数据争用和不一致性的问题。
//2. isb 指令：isb 指令用于确保指令的同步。它会刷新处理器流水线中
//的指令，并确保在 isb 指令之前的所有指令都已经执行完毕，然后再继
//续执行 isb 指令后面的指令。这样可以确保流水线中的指令执行顺序与
//程序中的顺序一致，避免指令重排和乱序执行带来的问题。dsbisb/* 调用SVC去启动第一个任务 */
//	"Supervisor Call"（超级用户调用），
//	用于从用户模式（通常是应用程序运行的模式）
//	切换到特权模式（通常是操作系统内核运行的模式）
//	执行一段特权代码，以执行一些需要特权级别权限的操作或服务svc 0  //服务号 0表示 SVC 中断，接下来将会执行 SVC 中断服务函数nopnop
}

关于Cortex-M中三个中断屏蔽寄存器

4.vPortSVCHandler()

本函数为 SVC 的中断服务函数

加载 TCB 到 r0，以 r0 为基地址，将栈里面的内容加载到 r4~r11 寄存器
开启所有中断
设置 r14 寄存器，以使用 PSP 出栈，进入线程模式，返回 Thumb 状态
如果异常返回，则 bx r14 进入 Thumb 状态，并且栈中的剩下内容将会自动加载到CPU寄存器

//SVC中断函数
__asm void vPortSVCHandler( void )
{extern pxCurrentTCB;	//1. 加载要运行的 TCB 的指针PRESERVE8ldr	r3, =pxCurrentTCB	//2. 加载要运行的 TCB 的指针的地址到 r3ldr r1, [r3]			//3. 加载要运行的 TCB 的指针到 r1ldr r0, [r1]			//4. 加载 TCB 到 r0，目前 r0 的值等于第一个任务堆栈的栈顶ldmia r0!, {r4-r11}		//5. 以 r0 为基地址，将栈里面的内容加载到 r4~r11 寄存器，同时r0会递增msr psp, r0				//6. 将r0的值，即任务的栈指针更新到 pspisb						//7. 等待指令同步mov r0, #0 msr	basepri, r0         //8. 设置basepri寄存器的值为0，即所有的中断都没有被屏蔽orr r14, #0xd           //9. 当从SVC中断服务退出前,通过向r14寄存器最后4位按位或上0x0D，//   使得硬件在退出时使用进程堆栈指针PSP完成出栈操作并返回后进入线程模式、返回Thumb状态bx r14                  //10. 异常返回，这个时候栈中的剩下内容将会自动加载到CPU寄存器：//    xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）//    同时PSP的值也将更新，即指向任务栈的栈顶
}