FreeRTOS学习 --- 任务调度

开启任务调度器

        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：

        1、创建空闲任务（优先级最低）

        2、如果使能软件定时器，则创建定时器任务（优先级最高）

        3、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（在SVC中断中，通过设置basepri 为 0 来开启中断）

        4、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

        5、初始化任务运行时间统计功能的时基定时器

        6、调用函数 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

      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：

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

        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

        4、初始化临界区嵌套计数器为 0

        5、调用函数 prvEnableVFP()使能 FPU（M3中不支持FPU浮点单元）

        6、调用函数 prvStartFirstTask()启动第一个任务

        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。

       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.获得 MSP 指针的初始值

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 */

(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。

        SVC中断处理函数vPortSVCHandler()

        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。 SVC的中断服务函数为 vPortSVCHandler()，该函数在 port.c 文件中有定义，具体的代码如下所示（这里以正点原子的 STM32F1 系列开发板为例，其他类型的开发板类似）：

_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
}

        从上面代码中可以看出，函数 vPortSVCHandler()就是用来跳转到第一个任务函数中去的，该函数的具体解析如下：

        1. 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。 pxCurrentTCB 是一个全局变量，用于指向系统中优先级最高的就绪态任务的任务控制块
        举个例子：

        定时器处理任务的任务优先级为 31，是系统中优先级最高的任务，因此当进入 SVC 中断时， pxCurrentTCB 就是指向了定时器处理任务的任务控制块。
        接着通过获取任务控制块中的第一个元素，得到该任务的栈顶指针，任务控制块的相关内容

        2. 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。（这里的任务栈顶指针就是最下图里的pxTopOfStack）

        3. 通过往 BASEPRI 寄存器中写 0，允许中断。

        4. 最后通过两条汇编指令，使 CPU 跳转到任务的函数中去执行，代码如下所示：

orr r14, # 0xd
bx r14

        要弄清楚这两条汇编代码，首先要清楚 r14 寄存器是干什么用的。 通常情况下， r14 为链接寄存器（LR），用于保存函数的返回地址。但是在异常或中断处理函数中， r14 为 EXC_RETURN （关于 r14 寄存器的相关内容，感兴趣的读者请自行查阅相关资料）， EXC_RETURN 各比特位的描述如下表所示：

        XC_RETURN 只有 6 个合法的值，如下表所示：

        为此时是在 SVC 的中断服务函数中，因此此时的 r14 应为 EXC_RETURN，将 r14 与 0xd作或操作，然后将值写入 r14，那么就是将 r14 的值设置为了 0xFFFFFFFD 或 0xFFFFFFED（具体看是否使用了浮点单元），即返回后进入线程模式，并使用 PSP。这里要注意的是， SVC 中断服务函数的前面，将 PSP 指向了任务栈。
         说了这么多， FreeRTOS 对于进入中断后 r14 为 EXC_RETURN 的具体应用就是，通过判断EXC_RETURN 的 bit4 是否为 0，来判断任务是否使用了浮点单元。

        最后通过 bx r14 指令，跳转到任务的任务函数中执行，执行此指令， CPU 会自动从 PSP 指向的栈中出栈 R0、 R1、 R2、 R3、 R12、 LR、 PC、 xPSR 寄存器， 并且如果 EXC_RETURN 的bit4 为 0（使用了浮点单元），那么 CPU 还会自动恢复浮点寄存器。

出栈/压栈汇编指令详解

任务栈图解：