【学习FreeRTOS】第9章——FreeRTOS任务调度

1.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【动态创建任务为例】

创建空闲任务
如果使能软件定时器，则创建定时器任务
关闭中断，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
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
初始化任务运行时间统计功能的时基定时器【可选】
调用函数 xPortStartScheduler()

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

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
调用函数 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick（清空计数值、配置节拍频率、重装载值、启动计数与中断）
初始化临界区嵌套计数器为 0
调用函数 prvEnableVFP()使能 FPU
将FPCCR寄存器的[31:30]置l，这样在进出异常时，FPU的相关寄存器就会自动地保存和恢复（M4/M7）
调用函数prvStartFirstTask() 启动第一个任务

2.启动第一个任务

prvStartFirstTask()

__asm void prvStartFirstTask( void ) { /* 8字节对齐 */ PRESERVE8 ldr r0, =0xE000ED08 	/* 0xE000ED08为VTOR地址 */ ldr r0, [ r0 ] 					/* 获取VTOR的值 */ ldr r0, [ r0 ]					/* 获取MSP的初始值 */ /* 初始化MSP */ msr msp, r0/* 使能全局中断 */ cpsie i cpsie f dsb isb /* 调用SVC启动第一个任务 */ svc 0 nop nop 
}

执行过程为：

获取MSP的初始值（栈顶地址）
将MSP重新赋值为栈底指针（让MSP回到原点，启动任务一去不复返）
使能全局中断
使用SVC指令，传入系统调用信号，出发SVC中断vPortSVCHandler ()

关于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）。
在裸机中，程序全部使用MSP，在FreeRTOS中，中断使用MSP（主堆栈），中断以外使用PSP（进程堆栈）
关于0xE000ED08
0xE000ED08是VTOR（中断向量表）的地址，向量表的第一个是 MSP 指针，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。

vPortSVCHandler ()

__asm void vPortSVCHandler( void ) 
{ /* 8字节对齐 */ PRESERVE8 /* 获取任务栈地址 */ ldr r3, = pxCurrentTCB 		/* r3指向优先级最高的就绪态任务的任务控制块 */ ldr r1, [ r3 ] 				/* r1为任务控制块地址 */ ldr r0, [ r1 ] 				/* r0为任务控制块的第一个元素（栈顶） */ /* 模拟出栈，并设置PSP */ ldmia r0 !, { r4 - r11 } 	/* 任务栈弹出到CPU寄存器 */ msr psp, r0 				/* 设置PSP为任务栈指针 */ isb /* 使能所有中断 */ mov r0, # 0 msr basepri, /* 使用PSP指针，并跳转到任务函数 */ orr r14, # 0xd bx r14 }

运行过程为：

获取优先级最高的就绪任务的TCB，并取其栈顶元素pxTopOfStack
模拟出栈，将寄存器值出栈至CPU寄存器，并设置PSP指针
开启中断
线与0xd，将r14设置为线程模式并使用PSP
跳转到任务的任务函数中运行，CPU自动出栈R0-xPSR等寄存器（M4：若EXC_RETURN使用FPU，则恢复浮点单元）

M4的vPortSVCHandler () ，除了手动出栈r4-r11外，还有r14，这是因为M4等系列支持FPU，需要该变量进行判别
M4的vPortSVCHandler () ，不需要线与0xd，因为在初始化时，已经对EXC_RETURN进行赋值了，不需要再线与
一般情况下，使用动态创建任务，第一个启动的任务是软件定时器任务
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

在这里插入图片描述

开启任务调度器及启动第一个任务总结

在这里插入图片描述

3.任务切换

任务切换的本质：就是CPU寄存器的切换（又称上下文切换），在PendSV中断服务函数中完成 主要分为两步：

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
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

触发PendSV中断方式

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

在这里插入图片描述

PendSV中断服务函数xPortPendSVHandler()

进入中断，使用PSP自动压栈
当前的psp是正在运行的任务的栈指针，读取当前PSP进程指针，存入r0（M4还要考虑FPU压栈）
手动压栈，并将最终结果封存至pxTopOfStack，方便下次恢复
屏蔽中断
调用vTaskSeitchContext()，获取当前最高优先级任务的任务控制块
使能中断
从最高优先级的TCB中获取pxTopOfStack，并手动出栈
更新切换后的任务的的栈指针给PSP
PSP负责自动出栈
bx r14 执行新任务函数

查找最优先级任务vTaskSwitchContext( )

通过这个函数完成：taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK( )

使用硬件方式（本文使用）
使用软件方式

 #define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()
{UBaseType_t uxTopPriority;portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );configASSERT( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) > 0);listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );
}

前导置零指令
所谓的前导置零指令，大家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

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

在这里插入图片描述

获取最高优先级任务的任务控制块
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;
}