FreeRTOS启动任务调度器函数解释

FreeRTOS的任务开始运行的前提是调用了启动调度器函数 vTaskStartScheduler() ,只有调用了该函数任务才会被调度并运行。下面以FreeRTOS v9.0.0版本的源码进行分析FreeRTOS任务调度的启动流程。

vTaskStartScheduler() 函数

void vTaskStartScheduler(void)
{
    BaseType_t xReturn;

/* 静态方法创建空闲任务 */
#if (configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1)
    {
        StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
        StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
        uint32_t ulIdleTaskStackSize;

        /* 以静态方式创建任务用户需自定义空闲任务的内存分配函数 */
        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
    { /* 动态方法创建空闲任务 */
        xReturn = xTaskCreate(prvIdleTask,
                              "IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,
                              (void *)NULL,
                              (tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT),
                              &xIdleTaskHandle);
    }
#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
/* 如果启用软件定时器 */
#if (configUSE_TIMERS == 1)
    {
        if (xReturn == pdPASS)
        {
            /* 创建空闲任务成功,且启用软件定时器,就创建定时器任务 */
            xReturn = xTimerCreateTimerTask();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }
#endif /* configUSE_TIMERS */
    /* 任务创建成功或定时器任务创建成功(如果使能定时器任务创建的话)*/
    if (xReturn == pdPASS)
    {
        /* 关中断,确保开启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)
        {
            _impure_ptr = &(pxCurrentTCB->xNewLib_reent);
        }
#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */
        /* 设置下一个任务的解锁时间为最大,这样可以避免在启动调度器之前不会因为任务解锁而引起任务调度 */
        xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
        /* 置 xSchedulerRunning 标志为真,这指示这调度器即将进行运行 */
        xSchedulerRunning = pdTRUE;
        /* 将计数值初始化为0,确保在启动调度器时开始计数,使所有任务的时钟节拍一致 */
        xTickCount = (TickType_t)0U;

        /* 如果定义了configGENERATE_RUN_TIME_STATS,
        则必须定义以下宏来配置用于生成运行时计数器时基的定时器/计数器。
        运行时间统计功能 */
        portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();

        /* 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
        调用这个函数以后,就不会再回来了*/
        if (xPortStartScheduler() != pdFALSE)
        {
            /* 调度器正在运行函数不会返回到这里执行 */
        }
        else
        {
            /* 只有当任务调用 xTaskEndScheduler() 时才会到达这里
            如果调度器没有成功启动,或者某个任务调用了 xTaskEndScheduler() 函数以结束调度器的运行,
            则程序将会执行到这里。因此,在这里放置的代码可能会处理一些特殊情况或进行清理工作 */
        }
    }
    /* 可能是因为没有足够的堆空间来创建空闲任务或定时器任务
    通过断言来检查内核是否能成功分配所需的内存 */
    else
    {
        configASSERT(xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY);
    }

    /* 防止编译器警告 */
    (void)xIdleTaskHandle;
}

可以看到该函数主要做了几件事。

1.创建空闲任务,根据配置以不同方式创建空闲任务,静态或者动态方式。

2.如果启动了软件定时器功能就创建软件定时器任务,根据配置以静态还是动态方式进行创建软件定时器任务。

3.关闭中断,使用 portDISABLE_INTERRUPTS() 关闭中断,这种方式只会关闭受FreeRTOS所管理的中断,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,并将调度器标记为正在运行。

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.调用 xPortStartScheduler() 启动调度器。

xPortStartScheduler() 函数

/* 代码确定了可以在中断服务例程中调用的 FreeRTOS API 函数的最高优先级。
这样可以确保在中断上下文中仅调用安全的API函数,从而保持中断处理的效率和可靠性。*/
BaseType_t xPortStartScheduler(void)
{
#if (configASSERT_DEFINED == 1)
    {
        volatile uint32_t ulOriginalPriority; // 用于保存即将被覆盖的中断优先级值。
        /* 指向第一个用户中断的优先级寄存器地址。这个寄存器存储了中断的优先级值 */
        volatile uint8_t *const pucFirstUserPriorityRegister = (uint8_t *)(portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 + portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER);
        /* 用于存储计算得到的最大优先级值 */
        volatile uint8_t ucMaxPriorityValue;

        /* 确定FreeRTOS ISR安全的API函数可以调用的最大优先级。ISR安全函数是以“FromISR”结尾的。
        保存即将被覆盖的中断优先级值 */
        ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister;

        /* 确定可用的优先级位的数量。首先写入所有可能的位 */
        *pucFirstUserPriorityRegister = portMAX_8_BIT_VALUE;

        ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;

        /* Use the same mask on the maximum system call priority.
        对最大系统调用优先级使用相同的掩码。*/
        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为最低优先级中断 */

    /* 0xE000ED20 就是SHPR3寄存器的地址,用于配置 PendSV(可悬挂请求)、SysTick 的中断优先级*/
    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. */
    /* 设置滴答定时器中断频率 */
    vPortSetupTimerInterrupt();

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

    /* 启动第一个任务 */
    prvStartFirstTask();

    /* Should not get here! */
    /* 不应该到达这里 */
    return 0;
}

1.配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级。

2.调用函数 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick,该首先会将 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。

3.初始化临界区嵌套计数器为 0。

4.调用函数 prvStartFirstTask() 启动第一个任务。

prvStartFirstTask() 函数

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 (主堆栈指针)指针,并使能全局中断。

/* 初始化启动第一个任务前的环境,主要是重新设置主堆栈MSP指针,并使能全局中断 */
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
	/* 8 字节对齐 */
	PRESERVE8

	/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */
	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 */

	/* Set the msp back to the start of the stack. 
	 初始化 MSP */
	msr msp, r0
	/* Globally enable interrupts. */
	/* 使能全局中断 */
	cpsie i
	cpsie f
	dsb
	isb
	/* Call SVC to start the first task. */
	/* 调用 SVC 启动第一个任务 */
	svc 0
	nop
	nop
}

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。

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。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)。

这两个栈指针在任一时刻只能使用其中一个。

主堆栈指针(MSP):复位后缺省使用的堆栈指针,用于操作系统内核及异常处理例程(中断服务例程使用的永远都是MSP)。

进程堆栈指针(PSP):由用户的应用程序代码使用。

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。

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起始地址 0x00000000 开始的,但是在有些情况下,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 寄存器对向量表进行重定向。

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顶的地址,在 start_stm32xxxxxx.s 文件中有如下定义:

__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,也就是栈顶指针。所以 prvStartFirstTask() 该函数首先是获取 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,也就是栈顶指针。

3.在获取了栈顶指针后,将 MSP 指针重新赋值为栈顶指针。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 管理的中断。

5.最后使用 SVC 指令,并传入系统调用号 0,触发 SVC 中断。

vPortSVCHandler() 函数

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。

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
	PRESERVE8
	/* 获取任务栈地址 */
	ldr	r3, =pxCurrentTCB	/* 恢复上下文, r3 指向优先级最高的就绪态任务的任务控制块 */
	ldr r1, [r3]			/* 使用pxCurrentTCBConst获取pxCurrentTCB地址. r1 为任务控制块地址*/
	ldr r0, [r1]			/* pxCurrentTCB中的第一项是任务栈的顶部。r0 为任务控制块的第一个元素(栈顶) */
	
	/* 模拟出栈,并设置 PSP,任务栈弹出到 CPU 寄存器 */
	ldmia r0!, {r4-r11}		/* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */
	/* 设置 PSP 为任务栈指针 */
	msr psp, r0				/* 恢复任务栈指针 */
	isb
	/* 使能所有中断 */
	mov r0, #0
	msr	basepri, r0
	/* 使用 PSP 指针,并跳转到任务函数 */
	orr r14, #0xd
	bx r14
}

该函数用于跳转到任务函数当中。

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,在前面创建 start_task 任务、空闲任务、定时器处理任务时自动根据任务的优先级高低已经进行过赋值的。

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