FreeRTOS学习8——开启任务调度器API函数简介

任务调度

开启任务调度器API函数简介

函数 vTaskStartScheduler()

​ 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，除非调用函数 xTaskEndScheduler()停止任务调度器，否则不会再返回

该函数内部如下

void vTaskStartScheduler( void )
{
 BaseType_t xReturn;
 
 /* 如果启用静态内存管理，则优先使用静态方式创建空闲任务 */
#if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
{
 StaticTask_t * pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
 StackType_t * pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
 uint32_t ulIdleTaskStackSize;
 
 vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer,
 								&pxIdleTaskStackBuffer,
							 	&ulIdleTaskStackSize);
 xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( prvIdleTask,
 									  configIDLE_TASK_NAME,
 			  						  ulIdleTaskStackSize,
                                      ( void * ) NULL,
                                      portPRIVILEGE_BIT,
                                      pxIdleTaskStackBuffer,
                                      pxIdleTaskTCBBuffer);
 
 if( xIdleTaskHandle != NULL )
 {
 	xReturn = pdPASS;
 }
 else
 {
 	xReturn = pdFAIL;
 }
}
#else
 /* 未启用静态内存管理，则使用动态方式创建空闲任务 */
{
 xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,
                        configIDLE_TASK_NAME,
                        configMINIMAL_STACK_SIZE,
                        ( void * ) NULL,
                        portPRIVILEGE_BIT,
                        &xIdleTaskHandle);
}
#endif
 
 /* 如果启用软件定时器，则需要创建定时器服务任务 */
#if ( configUSE_TIMERS == 1 )
{
 if( xReturn == pdPASS )
 {
    xReturn = xTimerCreateTimerTask();
 }
 else
 {
    mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
 }
}
#endif
 
 if( xReturn == pdPASS )
 {
#ifdef FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT
{
  /* 此函数用于添加一些附加初始化，不用理会 */
  freertos_tasks_c_additions_init();
}
#endif
 
 /* FreeRTOS 关闭中断，
 * 以保证在开启任务任务调度器之前或过程中，SysTick 不会产生中断，
 * 在第一个任务开始运行时，会重新打开中断。
 */
 portDISABLE_INTERRUPTS();
 
#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
{
 /* Newlib 相关 */
 _impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );
}
#endif
 /* 初始化一些全局变量
 * xNextTaskUnblockTime: 下一个距离取消任务阻塞的时间，初始化为最大值
 * xSchedulerRunning: 任务调度器运行标志，设为已运行
 * xTickCount: 系统使用节拍计数器，宏 configINITIAL_TICK_COUNT 默认为 0
 */
 xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
 xSchedulerRunning = pdTRUE;
 xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;
 
 /* 为任务运行时间统计功能初始化功能时基定时器
 * 是否启用该功能，可在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行配置
 */
 portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
 /* 调试使用，不用理会 */
 traceTASK_SWITCHED_IN();
 
 /* 设置用于系统时钟节拍的硬件定时器（SysTick）
 * 会在这个函数中进入第一个任务，并开始任务调度
 * 任务调度开启后，便不会再返回
 */
 if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
 {
 }
 else
 {
 
 }
 }
 else
 {
 /* 动态方式创建空闲任务和定时器服务任务（如果有）时，因分配给 FreeRTOS 的堆空间
 * 不足，导致任务无法成功创建 */
 configASSERT( xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY );
 }
 
 /* 防止编译器警告，不用理会 */
 ( void ) xIdleTaskHandle;
 
 /* 调试使用，不用理会 */
 ( void ) uxTopUsedPriority;
}

从上面的代码可以看出，函数 vTaskStartScheduler()主要做了六件事情。

1. 创建空闲任务，根据是否支持静态内存管理，使用静态方式或动态方式创建空闲任务。

2. 创建定时器服务任务，创建定时器服务任务需要配置启用软件定时器，创建定时器服务任务，同样是根据是否配置支持静态内存管理，使用静态或动态方式创建定时器服务任务。

3. 关闭中断，使用 portDISABLE_INTERRUPT()关闭中断，这种方式只关闭受 FreeRTOS 管理的中断。关闭中断主要是为了防止 SysTick 中断在任务调度器开启之前或过程中，产生中断。FreeRTOS 会在开始运行第一个任务时，重新打开中断。

4. 初始化一些全局变量，并将任务调度器的运行标志设置为已运行。

5. 初始化任务运行时间统计功能的时基定时器，任务运行时间统计功能需要一个硬件定时器提供高精度的计数，这个硬件定时器就在这里进行配置，如果配置不启用任务运行时间统计功能的，就无需进行这项硬件定时器的配置。

6. 最后就是调用函数 xPortStartScheduler()。

函数 xPortStartScheduler()

​ 函数 xPortStartScheduler()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

具体的代码如下所示：

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
#if ( configASSERT_DEFINED == 1 )
{
 /* 检测用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中对中断相关部分的配置是否有误，代码省略 */
}
#endif
 
 /* 设置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级 （在中断管理中有详细介绍）*/
 portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
 portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
 
 /* 配置 SysTick
 * 清空 SysTick 的计数值
 * 根据 configTICK_RATE_HZ 配置 SysTick 的重装载值
 * 开启 SysTick 计数和中断
 */
 vPortSetupTimerInterrupt();
 
 /* 初始化临界区嵌套次数计数器为 0 */
 uxCriticalNesting = 0;
 
 /* 使能 FPU
 * 仅 ARM Cortex-M4/M7 内核 MCU 才有此行代码
 * ARM Cortex-M3 内核 MCU 无 FPU
 */
 prvEnableVFP();
 
 /* 在进出异常时，自动保存和恢复 FPU 相关寄存器
 * 仅 ARM Cortex-M4/M7 内核 MCU 才有此行代码
 * ARM Cortex-M3 内核 MCU 无 FPU
 */
 *( portFPCCR ) |= portASPEN_AND_LSPEN_BITS;
 
 /* 启动第一个任务 */
 prvStartFirstTask();
 
 /* 不会返回这里 */
 return 0;
}

1. 在启用断言的情况下，函数 xPortStartScheduler()会检测用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中对中断的相关配置是否有误，感兴趣的读者请自行查看这部分的相关代码。

2. 配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级

3. 调用函数 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick，函数 vPortSetupTimerInterrupt()首先会将 SysTick 当 前 计 数 值 清 空 ， 并 根 据 FreeRTOSConfig.h 文件中配置的configSYSTICK_CLOCK_HZ（SysTick 时钟源频率）和 configTICK_RATE_HZ（系统时钟节拍频率）计算并设置 SysTick 的重装载值，然后启动 SysTick 计数和中断。（具体可结合函数内部和M3权威指南P134）

4. 初始化临界区嵌套计数器为 0。

5. 调用函数 prvEnableVFP()使能 FPU，因为 ARM Cortex-M3 内核 MCU 无 FPU，此函数仅在 ARM Cortex-M4/M7 内核 MCU 平台上被调用，执行改函数后 FPU 被开启。

6. 接下来将 FPCCR 寄存器的[31:30]置 1，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，同样地，因为 ARM Cortex-M3 内核 MCU 无 FPU，此当代码仅在 ARM Cortex-M4/M7 内核 MCU 平台上被调用。

7. 调用函数 prvStartFirstTask()启动第一个任务

函数 prvStartFirstTask()

函数 prvStartFirstTask()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

__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 	 r0 = *r0 */
 ldr r0, [ r0 ]      /* 获取 MSP 的初始值 r0 = *r0 */
 
 /* 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
}

从上面的代码可以看出，函数 prvStartFirstTask()是一段汇编代码，解析如下所示：

1. 首先是使用了 PRESERVE8，进行 8 字节对齐，这是因为，栈在任何时候都是需要 4 字节对齐的，而在调用入口得 8 字节对齐，在进行 C 编程的时候，编译器会自动完成的对齐的操作，而对于汇编，就需要开发者手动进行对齐。

2. 接下来的三行代码是为了获得 MSP 指针的初始值，那么这里就能够引出两个问题：

   (1) 什么是 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，使 SP 指针指向最后一个入栈的元素，那么程序就可以根据 SP 指针来从栈中存取信息。对于正点原子的 STM32F1、STM32F4、STM32F7 和 STM32H7 开发板上使用的 ARM Cortex-M 的 MCU 内核来说，ARM Cortex-M 提供了两个栈空间，这两个栈空间的堆栈指针分别是 MSP（主堆栈指针）和 PSP（进程堆栈指针）。在 FreeRTOS 中 MSP 是给系统栈空间使用的，而 PSP 是给任务栈使用的，也就是说，FreeRTOS 任务的栈空间是通过 PSP 指向的，而在进入中断服务函数时，则是使用 MSP 指针。当使用不同的堆栈指针时，SP 会等于当前使用的堆栈指针。

   (2) 为什么是 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。一般来说向量表是从其实地址 0x00000000 开始的，但是在有情况下，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 对向量表进行从定向。而向量表是用来保存中断异常的入口函数地址，即栈顶地址的，并且向量表中的第一个字保存的就是栈底的地址，

   在 start_stm32xxxxxx.s 文件中有如下定义：

   __Vectors DCD __initial_sp 			; 栈底指针
    DCD Reset_Handler 					; Reset Handler
    DCD NMI_Handler 					; NMI Handler
    DCD HardFault_Handler 				; Hard Fault Handler
    DCD MemManage_Handler 				; MPU Fault Handler
   

   ​ 以上就是向量表（只列出前几个）的部分内容，可以看到向量表的第一个元素就是栈指针的初始值，也就是栈底指针。

   ​ 在了解了这两个问题之后，接下来再来看看代码。首先是获取 VTOR 的地址，接着获取VTOR 的值，也就是获取向量表的首地址，最后获取向量表中第一个字的数据，也就是栈底指针了。

3. 在获取了栈顶指针后，将 MSP 指针重新赋值为栈底指针。这个操作相当于丢弃了程序之前保存在栈中的数据，因为FreeRTOS从开启任务调度器到启动第一个任务都是不会返回的，是一条不归路，因此将栈中的数据丢弃，也不会有影响。

4. 重新赋值 MSP 后，接下来就重新使能全局中断，因为之前在函数 vTaskStartScheduler()中关闭了受 FreeRTOS 的中断。

5. 最后使用 SVC 指令，并传入系统调用号 0，触发 SVC 中断。

函数 vPortSVCHandler()

​ SVC 的中断服务函数

__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,r14} /* 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
}

• 首先通过 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就是系统将要运行的任务
• 接下来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，已经初始化了。然后再设置 PSP 指针，那么，这么一来，任务的运行环境就准备好了。
• 通过往 BASEPRI 寄存器中写 0，允许中断
• 最后通过两条汇编指令，使 CPU 跳转到任务的函数中去执行
• 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），如下表所示： （M3中不支持浮点单元故只有3个默认值）

EXC_RETURN 各比特位的描述如下表所示

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

中断产生时，硬件自动将xPSR，PC(R15)，LR(R14)，R12，R3-R0出/入栈；而R4~R11需要手动出/入栈

进入中断后硬件会强制使用MSP指针 ，此时LR(R14）的值将会被自动被更新为特殊的EXC_RETURN

补充

出栈/压栈汇编指令详解

出栈（恢复现场），方向：从下往上（低地址往高地址）

作用：把当前任务的数据加载到CPU中

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、r6 */

• r0地址(0x04)内容加载到r4，此时地址r0 = r0+4 = 0x08
• r0地址(0x08)内容加载到r5，此时地址r0 = r0+4 = 0x0C
• r0地址(0x0C)内容加载到r6，此时地址r0 = r0+4 = 0x10

压栈（保存现场），方向：从上往下（高地址往低地址）

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。 */

作用：把CPU中正在处理的数据存储到对应任务的栈内

• 地址：r0 = r0-4 = 0x0C，将r6的内容（寄存器值）存放到r0所指向地址(0x0C)
• 地址：r0 = r0-4 = 0x08，将r5的内容（寄存器值）存放到r0所指向地址(0x08)
• 地址：r0 = r0-4 = 0x04，将r4的内容（寄存器值）存放到r0所指向地址(0x04)