FreeRTOS --（9）任务管理之启动调度器

转载自 https://blog.csdn.net/zhoutaopower/article/details/107057528

在使用 FreeRTOS 的时候，一般的，先创建若干任务，但此刻任务并没有被调度起来，仅仅是创建了，如果想要真正的跑起来，那么还需要调用让调度器跑起来的函数：

vTaskStartScheduler

典型的用法是：

xTaskCreate(.."task_1"..);
xTaskCreate(.."task_2"..);
xTaskCreate(.."task_3"..);
 
vTaskStartScheduler();
 
// Never reach here 
DUMP_ERROR();

现在就来看看 vTaskStartScheduler 具体做了些什么；

1、vTaskStartScheduler

vTaskStartScheduler 的实现在 task.c 中：

void vTaskStartScheduler( void )
{
BaseType_t xReturn;
 
    /* Add the idle task at the lowest priority. */
    #if( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
    {
        StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
        StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
        uint32_t ulIdleTaskStackSize;
 
        /* The Idle task is created using user provided RAM - obtain the
        address of the RAM then create the idle task. */
        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
    {
        /* The Idle task is being created using dynamically allocated RAM. */
        xReturn = xTaskCreate(  prvIdleTask,
                                configIDLE_TASK_NAME,
                                configMINIMAL_STACK_SIZE,
                                ( void * ) NULL,
                                portPRIVILEGE_BIT,
                                &xIdleTaskHandle );
    }
    #endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
 
    #if ( configUSE_TIMERS == 1 )
    {
        if( xReturn == pdPASS )
        {
            xReturn = xTimerCreateTimerTask();
        }
        else
        {
            mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
        }
    }
    #endif /* configUSE_TIMERS */
 
    if( xReturn == pdPASS )
    {
        /* freertos_tasks_c_additions_init() should only be called if the user
        definable macro FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT() is defined, as that is
        the only macro called by the function. */
        #ifdef FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT
        {
            freertos_tasks_c_additions_init();
        }
        #endif
 
        /* Interrupts are turned off here, to ensure a tick does not occur
        before or during the call to xPortStartScheduler().  The stacks of
        the created tasks contain a status word with interrupts switched on
        so interrupts will automatically get re-enabled when the first task
        starts to run. */
        portDISABLE_INTERRUPTS();
 
        #if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
        {
            /* Switch Newlib's _impure_ptr variable to point to the _reent
            structure specific to the task that will run first. */
            _impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );
        }
        #endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */
 
        xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
        xSchedulerRunning = pdTRUE;
        xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;
 
        /* If configGENERATE_RUN_TIME_STATS is defined then the following
        macro must be defined to configure the timer/counter used to generate
        the run time counter time base.   NOTE:  If configGENERATE_RUN_TIME_STATS
        is set to 0 and the following line fails to build then ensure you do not
        have portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() defined in your
        FreeRTOSConfig.h file. */
        portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
 
        traceTASK_SWITCHED_IN();
 
        /* Setting up the timer tick is hardware specific and thus in the
        portable interface. */
        if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )
        {
            /* Should not reach here as if the scheduler is running the
            function will not return. */
        }
        else
        {
            /* Should only reach here if a task calls xTaskEndScheduler(). */
        }
    }
    else
    {
        /* This line will only be reached if the kernel could not be started,
        because there was not enough FreeRTOS heap to create the idle task
        or the timer task. */
        configASSERT( xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY );
    }
 
    /* Prevent compiler warnings if INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle is set to 0,
    meaning xIdleTaskHandle is not used anywhere else. */
    ( void ) xIdleTaskHandle;
}

在 vTaskStartScheduler 函数中，首先通过 xTaskCreate 创建了一个 Idle 任务，优先级为最低 0；（关于 Idle 任务，后面专门来讲）；

调用 portDISABLE_INTERRUPTS(); 关闭全局中断，因为后面要初始化 TICK 中断；

接着初始化了全局变量：

xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
xSchedulerRunning = pdTRUE;
xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;

下一个未阻塞的任务时间为 0xFFFF_FFFF；调度器启动的标志位为 TRUE，代表调度器已经初始化，Tick 的计数器为 0；

2、xPortStartScheduler

接着调用 xPortStartScheduler 来配置和体系结构相关调度，这里主要是一些和处理器相关的寄存器（比如 SYSTICK 等）；这里还是以 Cortex-M3 作为例子，xPortStartScheduler 实现在 port.c 文件：

/* Constants required to check the validity of an interrupt priority. */
#define portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER     ( 16 )
#define portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16     ( 0xE000E3F0 )
#define portAIRCR_REG                       ( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xE000ED0C ) )
#define portMAX_8_BIT_VALUE                 ( ( uint8_t ) 0xff )
#define portTOP_BIT_OF_BYTE                 ( ( uint8_t ) 0x80 )
#define portMAX_PRIGROUP_BITS               ( ( uint8_t ) 7 )
#define portPRIORITY_GROUP_MASK             ( 0x07UL << 8UL )
#define portPRIGROUP_SHIFT                  ( 8UL )
 
BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
    #if(configASSERT_DEFINED == 1 )
    {
        volatile uint32_t ulOriginalPriority;
        /* 中断优先级寄存器0: PRI_0 */
        volatile uint8_t * const pucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) (portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 +portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER );
        volatile uint8_t ucMaxPriorityValue;
 
        /* 这一大段代码用来确定一个最高ISR优先级,在这个ISR或者更低优先级的ISR中可以安全的调用以FromISR结尾的API函数.*/
       
        /* 保存中断优先级值,因为下面要覆写这个寄存器(PRI_0) */
       ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister;
 
        /* 确定有效的优先级位个数. 首先向所有位写1,然后再读出来,由于无效的优先级位读出为0,然后数一数有多少个1,就能知道有多少位优先级.*/
        *pucFirstUserPriorityRegister= portMAX_8_BIT_VALUE;
       ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;
 
        /* 冗余代码,用来防止用户不正确的设置RTOS可屏蔽中断优先级值 */
       ucMaxSysCallPriority =configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY &ucMaxPriorityValue;
 
        /* 计算最大优先级组值 */
       ulMaxPRIGROUPValue =portMAX_PRIGROUP_BITS;
        while( (ucMaxPriorityValue &portTOP_BIT_OF_BYTE ) ==portTOP_BIT_OF_BYTE )
        {
           ulMaxPRIGROUPValue--;
           ucMaxPriorityValue <<= ( uint8_t ) 0x01;
        }
       ulMaxPRIGROUPValue <<=portPRIGROUP_SHIFT;
       ulMaxPRIGROUPValue &=portPRIORITY_GROUP_MASK;
 
        /* 将PRI_0寄存器的值复原*/
        *pucFirstUserPriorityRegister= ulOriginalPriority;
    }
    #endif /*conifgASSERT_DEFINED */
 
    /* 将PendSV和SysTick中断设置为最低优先级*/
   portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_PENDSV_PRI;
   portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_SYSTICK_PRI;
 
    /* 启动系统节拍定时器,即SysTick定时器,初始化中断周期并使能定时器*/
   vPortSetupTimerInterrupt();
 
    /* 初始化临界区嵌套计数器 */
   uxCriticalNesting = 0;
 
    /* 启动第一个任务 */
   prvStartFirstTask();
 
    /* 永远不会到这里! */
    return 0;
}

首先，如果定义 configASSERT_DEFINED 了的话，那么先：

volatile uint8_t * const pucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) (portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 +portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER );

根据 Cortex-M3 的数据手册可以知道，这个地方获取到的是：NVIC 中断优先级寄存器的基地址，Cortex-M3 的 NVIC 中断优先级寄存器定义如下：

CM3 中断优先级寄存器组  （0xE000_E400 ~ 0xE000_E4EF）

Name	Access	Base Address	Reset Value	Description
PRI_0	R/W	0xE000_E400	0 (8 bits)	外中断 #0 的优先级
PRI_1	R/W	0xE000_E401	0 (8 bits)	外中断 #1 的优先级
.....	R/W	.....	0 (8 bits)	.....
PRI_239	R/W	0xE000_E4EF	0 (8 bits)	外中断 #239 的优先级

这里注意一下，每个优先级 8 bit；

这里，首先将中断 0 优先级读出来，放置到 ulOriginalPriority；

在往这个 PRI_0 优先级寄存器中写全 1，也就是 0xFF；

再将这个寄存器读出来读到 ucMaxPriorityValue 中；

这样做的目的是为了判断这个中断优先级寄存器哪些 bit 是可写（可配置）的；这个和处理器对这方面的定义相关；

在 Cortex-M3 处理器上，NVIC 中断控制器支持中断优选级配置，它分为了组优先级和组内优先级概念，虽然看起来每个优先级使用 8 bits 来表示，看似最大配置到 0xFF，也就是 255，其实不然，因为引入了组优先级和组内优先级的概念，让这个 8 bits 配置得有点玄机；

优先级组也叫抢占优先级，组内优先级也叫子优先级；抢占优先级高的中断可以嵌套抢占优先级低的，同样抢占优先级的中断，则比较的是子优先级；

Cortex-M3 只是处理器的架构，实际上，芯片公司在利用这种架构实现芯片设计的时候，优先级组和组内优先级，并不是这 8 个 bit 都用到了，因为大量的优先级会增加 NVIC 的复杂度；所以，一般的，具体芯片，PRI_0 的 8 bit 只会用到一部分的 bit，其中中用几个 bit 来表示抢占优先级，用几个 bit 来表示子优先级，这个是可以配置的；具体一点的话，比如：

一款 Cortex-M3 内核做的处理器，它在设计的时候，就定义了 PRI_x 优先级的 8 bit，只有高 3 bit 有效：

一款 Cortex-M3 内核做的处理器，它在设计的时候，就定义了 PRI_x 优先级的 8 bit，只有高 4 bit 有效：

比如ST的STM32F1xx和F4xx只使用了这个8位中的高4位[7:4]，低四位取零，这样2^4=16，只能表示16级中断嵌套。

那么用高 4 bit 表示优先级，那么这 4 个 bit 哪几个 bit 代表抢占优先级？哪几个 bit 代表子优先级呢？

这个由另一个寄存器的值说了算，SCB->AIRCR[10:8]（0xE000_ED00） 寄存器的 PRIGROUP 的值说了算；

#define NVIC_PriorityGroup_0          ((u32)0x700) /* 0 bits for pre-emption priority 4 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_1          ((u32)0x600) /* 1 bits for pre-emption priority 3 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_2          ((u32)0x500) /* 2 bits for pre-emption priority 2 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_3          ((u32)0x400) /* 3 bits for pre-emption priority 1 bits for subpriority */
#define NVIC_PriorityGroup_4          ((u32)0x300) /* 4 bits for pre-emption priority 0 bits for subpriority */

SCB->AIRCR[10:8]

Group	AIRCR[10:8] Value	PRI_x bit[7:4] 分配情况	分配结果
0	3‘b111	0:4	0位抢占优先级，4位响应优先级
1	3‘b110	1:3	1位抢占优先级，3位响应优先级
2	3‘b101	2:2	2位抢占优先级，2位响应优先级
3	3‘b100	3:1	3位抢占优先级，1位响应优先级
4	3‘b011	4:0	4位抢占优先级，0位响应优先

Cortex-M3 中断优先级数值越大，表示优先级越低。而 FreeRTOS 的任务优先级则与之相反：优先级数值越大的任务，优先级越高。

好了，言归正传，这里应该说清楚为何要写进去 0xF，在读出来，就是因为这 8bit 并不是全部都用了，这样便可以得到最大支持的优先级个数 ucMaxPriorityValue；

接着计算最大优先级组的值，从读出来有效的 PRI_0 的最高位开始判断（因为）优先级组和子优先级是从最高位开始；

接着配置 PendSV 和 SysTick 的优先级为最低：

/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
    portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

3、vPortSetupTimerInterrupt

调用 vPortSetupTimerInterrupt 配置 SysTick，这个是操作系统的心跳，和体系架构相关：

void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{
    /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */
    #if( configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 )
    {
        ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
        xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
        ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ / configSYSTICK_CLOCK_HZ );
    }
    #endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
 
    /* Stop and clear the SysTick. */
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;
    portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;
 
    /* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */
    portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
    portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}

STM32 的 SysTick 是一个向下计数的计数器，可以配置产生 Tick 中断；

configSYSTICK_CLOCK_HZ 定义了 CPU 的时钟频率，需要和处理器同步；

configTICK_RATE_HZ 定义了 Tick 来的频率，比如：

configTICK_RATE_HZ为100，则系统节拍时钟周期为10ms，设置宏configTICK_RATE_HZ为1000，则系统节拍时钟周期为1ms

太频繁的 Tick 中断会导致过频繁的上下文切换，增加系统负担，过于长的上下文切换，会导致任务响应不及时；

典型的，STM32 的 configTICK_RATE_HZ 为 1000，也就是 1ms 一次 Tick 中断；

然后配置寄存器，使能了 SysTick，使能了 SysTick 中断；

接着初始化了嵌套深度：

uxCriticalNesting = 0;

4、prvStartFirstTask

最后调用了 prvStartFirstTask(); 启动第一个任务，它的实现使用汇编写的：

__asm void prvStartFirstTask( void )
{
    PRESERVE8
 
    /* Cortext-M3硬件中,0xE000ED08 地址处为VTOR(向量表偏移量)寄存器,存储向量表起始地址*/
    /* 将 0xE000ED08 加载到 R0 */
    ldr r0, =0xE000ED08    
    /* 将 0xE000ED08 中的值，也就是向量表的实际地址加载到 R0 */
    ldr r0, [r0]
    /* 根据向量表实际存储地址，取出向量表中的第一项,向量表第一项存储主堆栈指针MSP的初始值*/
    ldr r0, [r0]   
 
    /* 将堆栈地址写入主堆栈指针 */
    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
}

PRESERVE8 用于 8 字节对齐；

从 0xE000ED08 获取向量表的偏移，为啥要获得向量表呢？因为向量表的第一个是 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；

此刻呢，将初始的 MSP 存入到了 R0 中，通过 MSR 指令，写到 MSP 中：

打个比方，Cortex-M3 处理器，上电默认进入线程的特权模式，使用 MSP 作为堆栈指针，从上电跑到这里，经过一系列的函数调用，出栈，入栈，MSP 自然已经不是最开始的初始化的位置，这里通过 MSR 重新复制了 MSP，岂不是堆栈都没了么？是的，因为这是一条不归路，代码跑到这里，首先不会返回，之前压栈的内容再也不会用到，所以破坏之前的堆栈也没关系；其次既然不会用到，那么岂不是之前的压栈空间都废了，如果把 MSP 重新初始化到头，就 OK 了嘛，大不了就是破坏了堆栈，反正再也回不去啦；

OK，堆栈指针 MSP 刷完，赋予了新的生命，此刻开中断，开异常，刷流水线；

调用 svc 并传入系统调用号为 0 手动拉 SVC 中断；

5、vPortSVCHandler

手动拉了 SVC 中断，而且开启了中断，那么就会进入它的  ISR：vPortSVCHandler，它的实现也是和处理器体系结构相关，在 port.c 中实现：

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
    PRESERVE8
 
    ldr r3, =pxCurrentTCB   /* pxCurrentTCB指向处于最高优先级的就绪任务TCB */
    ldr r1, [r3]            /* 获取任务TCB地址 */
    ldr r0, [r1]            /* 获取任务TCB的第一个成员,即当前堆栈栈顶pxTopOfStack */
    ldmia r0!, {r4-r11}     /* 出栈,将寄存器r4~r11出栈 */
    msr psp, r0             /* 最新的栈顶指针赋给线程堆栈指针PSP */
    isb
    mov r0, #0
    msr basepri, r0
    orr r14, #0xd           /* 这里0x0d表示:返回后进入线程模式,从进程堆栈中做出栈操作,返回Thumb状态*/
    bx r14
}

首先还是 PRESERVE8 的 8字节对齐操作；

还记得吗，pxCurrentTCB 指向的是最高优先级的 Ready 状态的任务指针；

根据 pxCurrentTCB 获取到对应 TCB 的地址；然后获取第一个成员变量，也就是当前栈顶地址 pxTopOfStack；这个值在任务分配的时候，就已经计算好，并且模拟的 Cortex-M3 的异常入栈顺序，手动入栈了；

使用 LDMIA 指令，以 pxTopOfStack 开始顺序出栈，先出 R4~R11（在创建任务的时候，最后入栈的就是这些个），同时 R0 递增；

将此刻的 R0 赋值给 PSP（因为弹栈的时候，处理器会按照入栈的顺序去取 xPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、R0，而这些寄存器在我们创建任务的时候已经手动压栈）；

ISB 指令屏障，刷流水线；

将 BASEPRI 寄存器赋值为 0，也就是允许任何中断；

ORR 指令时按位或，所以 ORR R14, #0xd 相当于 R14 |= 0xd；这个操作也和体系架构相关，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（更多细节参考《Cortex-M3 处理器窥探》Chapter 7.4）；

因为当前在 ISR 中还是使用的 MSP，启动任务后，我们期望在任务执行过程中，处于线程模式，并使用 PSP（前面几行已经给 PSP 赋值了），所以我们需要将 LR 设计成为 0xFFFF_FFFD，让处理器知道返回的时候呢，使用线程模式+PSP堆栈；

最后执行 bx R14，告诉处理器 ISR 完成，需要返回，此刻处理器便会使用 PSP 做为堆栈指针，进行出栈操作，将xPSR、PC、LR、R12、R3~R0 出栈，初始化的时候，PC 被我们赋值成为了执行任务的函数的入口，所以呢，就正常跳入到了优先级最高的 Ready 状态的第一个任务的入口函数了；

处理器相关的部分，可以参考《Cortex-M3 处理器窥探》，创建任务的部分参考《FreeRTOS --（8）任务管理之创建任务》

大致的流程如下：

紫色部分，是和体系架构相关的，黑色的是开关中断的地方，蓝色的是 FreeRTOS 的代码；