FreeRTOS啟動任務調度器函數解釋

来源:https://www.cnblogs.com/RAM-YAO/p/18349835
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導讀 還是要先看官方手冊. 學過DMA的同志可能比較好理解,一句話, 釋放CPU匯流排 : 如果把應用程式執行的整個過程進行進一步分析，可以看到，當程式訪問 I/O 外設或睡眠時，其實是不需要占用處理器的，於是我們可以把應用程式在不同時間段的執行過程分為兩類，占用處理器執行有效任務的計算階段和不必占用 ...


目錄

FreeRTOS的任務開始運行的前提是調用了啟動調度器函數 vTaskStartScheduler() ，只有調用了該函數任務才會被調度並運行。下麵以FreeRTOS v9.0.0版本的源碼進行分析FreeRTOS任務調度的啟動流程。

vTaskStartScheduler() 函數

void vTaskStartScheduler(void)
{
    BaseType_t xReturn;

/* 靜態方法創建空閑任務 */
#if (configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1)
    {
        StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
        StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
        uint32_t ulIdleTaskStackSize;

        /* 以靜態方式創建任務用戶需自定義空閑任務的記憶體分配函數 */
        vApplicationGetIdleTaskMemory(&pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &ulIdleTaskStackSize);
        xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic(prvIdleTask,
                                            "IDLE",
                                            ulIdleTaskStackSize,
                                            (void *)NULL,
                                            (tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT),
                                            pxIdleTaskStackBuffer,
                                            pxIdleTaskTCBBuffer);

        if (xIdleTaskHandle != NULL)
        {
            xReturn = pdPASS;
        }
        else
        {
            xReturn = pdFAIL;
        }
    }
#else
    { /* 動態方法創建空閑任務 */
        xReturn = xTaskCreate(prvIdleTask,
                              "IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,
                              (void *)NULL,
                              (tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT),
                              &xIdleTaskHandle);
    }
#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
/* 如果啟用軟體定時器 */
#if (configUSE_TIMERS == 1)
    {
        if (xReturn == pdPASS)
        {
            /* 創建空閑任務成功，且啟用軟體定時器，就創建定時器任務 */
            xReturn = xTimerCreateTimerTask();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }
#endif /* configUSE_TIMERS */
    /* 任務創建成功或定時器任務創建成功（如果使能定時器任務創建的話）*/
    if (xReturn == pdPASS)
    {
        /* 關中斷，確保開啟調度器之前或過程中，SysTick 不會產生中斷
           在第一個任務開始運行時，會重新打開中斷 */
        portDISABLE_INTERRUPTS();

#if (configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1)
        {
            _impure_ptr = &(pxCurrentTCB->xNewLib_reent);
        }
#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */
        /* 設置下一個任務的解鎖時間為最大，這樣可以避免在啟動調度器之前不會因為任務解鎖而引起任務調度 */
        xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
        /* 置 xSchedulerRunning 標誌為真，這指示這調度器即將進行運行 */
        xSchedulerRunning = pdTRUE;
        /* 將計數值初始化為0，確保在啟動調度器時開始計數，使所有任務的時鐘節拍一致 */
        xTickCount = (TickType_t)0U;

        /* 如果定義了configGENERATE_RUN_TIME_STATS，
        則必須定義以下巨集來配置用於生成運行時計數器時基的定時器/計數器。
        運行時間統計功能 */
        portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();

        /* 用於完成啟動任務調度器中與硬體架構相關的配置部分，以及啟動第一個任務
        調用這個函數以後，就不會再回來了*/
        if (xPortStartScheduler() != pdFALSE)
        {
            /* 調度器正在運行函數不會返回到這裡執行 */
        }
        else
        {
            /* 只有當任務調用 xTaskEndScheduler() 時才會到達這裡
            如果調度器沒有成功啟動，或者某個任務調用了 xTaskEndScheduler() 函數以結束調度器的運行，
            則程式將會執行到這裡。因此，在這裡放置的代碼可能會處理一些特殊情況或進行清理工作 */
        }
    }
    /* 可能是因為沒有足夠的堆空間來創建空閑任務或定時器任務
    通過斷言來檢查內核是否能成功分配所需的記憶體 */
    else
    {
        configASSERT(xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY);
    }

    /* 防止編譯器警告 */
    (void)xIdleTaskHandle;
}

可以看到該函數主要做了幾件事。

1.創建空閑任務，根據配置以不同方式創建空閑任務，靜態或者動態方式。

2.如果啟動了軟體定時器功能就創建軟體定時器任務，根據配置以靜態還是動態方式進行創建軟體定時器任務。

3.關閉中斷，使用 portDISABLE_INTERRUPTS() 關閉中斷，這種方式只會關閉受FreeRTOS所管理的中斷，主要是為了防止Systick中斷在任務調度器開啟之前或過程中產生中斷，FreeRTOS會在開始運行第一個任務時重新打開中斷。

4.初始化一些全局變數，並將調度器標記為正在運行。

5.初始化任務運行時間統計功能的時基定時器，任務運行時間統計功能需要一個硬體定時器提供高精度的計數，這個硬體定時器就在這裡進行配置，如果配置不啟用任務運行時間統計功能的，就無需進行這項硬體定時器的配置。

6.調用 xPortStartScheduler() 啟動調度器。

xPortStartScheduler() 函數

/* 代碼確定了可以在中斷服務常式中調用的 FreeRTOS API 函數的最高優先順序。
這樣可以確保在中斷上下文中僅調用安全的API函數，從而保持中斷處理的效率和可靠性。*/
BaseType_t xPortStartScheduler(void)
{
#if (configASSERT_DEFINED == 1)
    {
        volatile uint32_t ulOriginalPriority; // 用於保存即將被覆蓋的中斷優先順序值。
        /* 指向第一個用戶中斷的優先順序寄存器地址。這個寄存器存儲了中斷的優先順序值 */
        volatile uint8_t *const pucFirstUserPriorityRegister = (uint8_t *)(portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 + portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER);
        /* 用於存儲計算得到的最大優先順序值 */
        volatile uint8_t ucMaxPriorityValue;

        /* 確定FreeRTOS ISR安全的API函數可以調用的最大優先順序。ISR安全函數是以“FromISR”結尾的。
        保存即將被覆蓋的中斷優先順序值 */
        ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister;

        /* 確定可用的優先順序位的數量。首先寫入所有可能的位 */
        *pucFirstUserPriorityRegister = portMAX_8_BIT_VALUE;

        ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;

        /* Use the same mask on the maximum system call priority.
        對最大系統調用優先順序使用相同的掩碼。*/
        ucMaxSysCallPriority = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY & ucMaxPriorityValue;

        /* Calculate the maximum acceptable priority group value for the number
        of bits read back.*/
        ulMaxPRIGROUPValue = portMAX_PRIGROUP_BITS;
      
        while ((ucMaxPriorityValue & portTOP_BIT_OF_BYTE) == portTOP_BIT_OF_BYTE)
        {
            ulMaxPRIGROUPValue--;
            ucMaxPriorityValue <<= (uint8_t)0x01;
        }

        /* Shift the priority group value back to its position within the AIRCR
        register.*/
        ulMaxPRIGROUPValue <<= portPRIGROUP_SHIFT;
        ulMaxPRIGROUPValue &= portPRIORITY_GROUP_MASK;

        /* Restore the clobbered interrupt priority register to its original
        value. */
        *pucFirstUserPriorityRegister = ulOriginalPriority;
    }
#endif /* conifgASSERT_DEFINED */

    /* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts.
    使PendSV和SysTick為最低優先順序中斷 */

    /* 0xE000ED20 就是SHPR3寄存器的地址,用於配置 PendSV（可懸掛請求）、SysTick 的中斷優先順序*/
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;

    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

    /* Start the timer that generates the tick ISR.  Interrupts are disabled
    here already. */
    /* 設置滴答定時器中斷頻率 */
    vPortSetupTimerInterrupt();

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

    /* 啟動第一個任務 */
    prvStartFirstTask();

    /* Should not get here! */
    /* 不應該到達這裡 */
    return 0;
}

1.配置 PendSV 和 SysTick 的中斷優先順序為最低優先順序。

2.調用函數 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick，該首先會將 SysTick 當前計數值清空，並根據 FreeRTOSConfig.h 文件中配置的configSYSTICK_CLOCK_HZ（SysTick 時鐘源頻率）和 configTICK_RATE_HZ（系統時鐘節拍頻率）計算並設置 SysTick 的重裝載值，然後啟動 SysTick 計數和中斷。

3.初始化臨界區嵌套計數器為 0。

4.調用函數 prvStartFirstTask() 啟動第一個任務。

prvStartFirstTask() 函數

函數 prvStartFirstTask() 用於初始化啟動第一個任務前的環境，主要是重新設置 MSP （主堆棧指針）指針，並使能全局中斷。

/* 初始化啟動第一個任務前的環境，主要是重新設置主堆棧MSP指針，並使能全局中斷 */
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
	/* 8 位元組對齊 */
	PRESERVE8

	/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */
	ldr r0, =0xE000ED08	/* 0xE000ED08 為 VTOR 地址 */
	ldr r0, [r0]		/* 獲取 VTOR 的值 */
	ldr r0, [r0]		/* 獲取 MSP 的初始值 */

	/* Set the msp back to the start of the stack. 
	 初始化 MSP */
	msr msp, r0
	/* Globally enable interrupts. */
	/* 使能全局中斷 */
	cpsie i
	cpsie f
	dsb
	isb
	/* Call SVC to start the first task. */
	/* 調用 SVC 啟動第一個任務 */
	svc 0
	nop
	nop
}

1.首先是使用了 PRESERVE8，進行 8 位元組對齊，這是因為，棧在任何時候都是需要 4 位元組對齊的，而在調用入口得 8 位元組對齊，在進行 C 編程的時候，編譯器會自動完成的對齊的操作，而對於彙編，就需要開發者手動進行對齊。

2.接下來的三行代碼是為了獲得 MSP 指針的初始值。

什麼是 MSP 指針？

程式在運行過程中需要一定的棧空間來保存局部變數等一些信息。當有信息保存到棧中時，MCU 會自動更新 SP 指針，使 SP 指針指向最後一個入棧的元素，那麼程式就可以根據 SP 指針來從棧中存取信息。ARM Cortex-M 提供了兩個棧空間，這兩個棧空間的堆棧指針分別是 MSP（主堆棧指針）和 PSP（進程堆棧指針）。

這兩個棧指針在任一時刻只能使用其中一個。

主堆棧指針（MSP）：複位後預設使用的堆棧指針，用於操作系統內核及異常處理常式（中斷服務常式使用的永遠都是MSP）。

進程堆棧指針（PSP）：由用戶的應用程式代碼使用。

在FreeRTOS 中 MSP 是給系統棧空間使用的，而 PSP 是給任務棧使用的，也就是說，FreeRTOS 任務的棧空間是通過 PSP 指向的，而在進入中斷服務函數時，則是使用 MSP 指針。

為什麼是 0xE000ED08？

0xE000ED08 是 VTOR（向量表偏移寄存器）的地址，VTOR 中保存了向量表的偏移地址。一般來說向量表是從起始地址 0x00000000 開始的，但是在有些情況下，可能需要修改或重定向向量表的首地址，因此 ARM Corten-M 提供了 VTOR 寄存器對向量表進行重定向。

向量表是用來保存中斷異常的入口函數地址，即棧頂地址的，並且向量表中的第一個字保存的就是棧頂的地址，在 start_stm32xxxxxx.s 文件中有如下定義：

__Vectors       DCD     __initial_sp               ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler              ; Reset Handler
                DCD     NMI_Handler                ; NMI Handler
                DCD     HardFault_Handler          ; Hard Fault Handler
                DCD     MemManage_Handler          ; MPU Fault Handler
                DCD     BusFault_Handler           ; Bus Fault Handler
                DCD     UsageFault_Handler         ; Usage Fault Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     SVC_Handler                ; SVCall Handler
                DCD     DebugMon_Handler           ; Debug Monitor Handler
                DCD     0                          ; Reserved
                DCD     PendSV_Handler             ; PendSV Handler
                DCD     SysTick_Handler            ; SysTick Handler

以上就是向量表的部分內容，可以看到向量表的第一個元素就是棧指針的初始值，也就是棧頂指針。所以 prvStartFirstTask() 該函數首先是獲取 VTOR 的地址，接著獲取VTOR 的值，也就是獲取向量表的首地址，最後獲取向量表中第一個字的數據，也就是棧頂指針。

3.在獲取了棧頂指針後，將 MSP 指針重新賦值為棧頂指針。這個操作相當於丟棄了程式之前保存在棧中的數據，因為FreeRTOS從開啟任務調度器到啟動第一個任務都是不會返回的，是一條不歸路，因此將棧中的數據丟棄，也不會有影響。

4.重新賦值 MSP 後，接下來就重新使能全局中斷，因為之前在函數 vTaskStartScheduler()中關閉了受 FreeRTOS 管理的中斷。

5.最後使用 SVC 指令，並傳入系統調用號 0，觸發 SVC 中斷。

vPortSVCHandler() 函數

當使能了全局中斷，並且手動觸發 SVC 中斷後，就會進入到 SVC 的中斷服務函數中。

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
	PRESERVE8
	/* 獲取任務棧地址 */
	ldr	r3, =pxCurrentTCB	/* 恢覆上下文, r3 指向優先順序最高的就緒態任務的任務控制塊 */
	ldr r1, [r3]			/* 使用pxCurrentTCBConst獲取pxCurrentTCB地址. r1 為任務控制塊地址*/
	ldr r0, [r1]			/* pxCurrentTCB中的第一項是任務棧的頂部。r0 為任務控制塊的第一個元素（棧頂） */
	
	/* 模擬出棧，並設置 PSP，任務棧彈出到 CPU 寄存器 */
	ldmia r0!, {r4-r11}		/* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */
	/* 設置 PSP 為任務棧指針 */
	msr psp, r0				/* 恢復任務棧指針 */
	isb
	/* 使能所有中斷 */
	mov r0, #0
	msr	basepri, r0
	/* 使用 PSP 指針，並跳轉到任務函數 */
	orr r14, #0xd
	bx r14
}

該函數用於跳轉到任務函數當中。

首先通過 pxCurrentTCB 獲取優先順序最高的就緒態任務的任務棧地址，優先順序最高的就緒態任務就是系統將要運行的任務。pxCurrentTCB 是一個全局變數，用於指向系統中優先順序最高的就緒態任務的任務控制塊，在前面創建 start_task 任務、空閑任務、定時器處理任務時自動根據任務的優先順序高低已經進行過賦值的。


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