【正点原子FreeRTOS学习笔记】————（7）任务调度

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  • 一、开启任务调度器（熟悉）
  • 二、启动第一个任务（熟悉）
    • 2.1，prvStartFirstTask () /* 开启第一个任务 */
    • 2.2，vPortSVCHandler () /* SVC中断服务函数 */
  • 三、任务切换（掌握）

一、开启任务调度器（熟悉）

vTaskStartScheduler()
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
2、如果使能软件定时器，则创建定时器任务
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
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()

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
6、调用函数 prvStartFirstTask()启动第一个任务

二、启动第一个任务（熟悉）

想象下应该如何启动第一个任务？
假设我们要启动的第一个任务是任务A，那么就需要将任务A的寄存器值恢复到CPU寄存器
任务A的寄存器值，在一开始创建任务时就保存在任务堆栈里边！
注意：
1、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
2、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

2.1，prvStartFirstTask () /* 开启第一个任务 */

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、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，ARM Cortex-M 内核提供了两个栈空间
主堆栈指针（MSP）：它由 OS 内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用
进程堆栈指针（PSP）：用于常规的应用程序代码（不处于异常服务例程中时）
在FreeRTOS中，中断使用MSP（主堆栈），中断以外使用PSP（进程堆栈）

2、为什么是 0xE000ED08？
因为需从 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；
再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
CM3 允许向量表重定位——从其它地址处开始定位各异常向量 这个就是向量表偏移量寄存器，向量表的起始地址保存的就是主栈指针MSP 的初始值

2.2，vPortSVCHandler () /* SVC中断服务函数 */

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
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

  1. 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是系统将要运行的任务
  2. 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，已初始化，然后设置 PSP 指针 。
  3. 通过往 BASEPRI 寄存器中写 0，允许中断。
  4. 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：
    在这里插入图片描述
    出栈/压栈汇编指令详解
    1、出栈（恢复现场），方向：从下往上（低地址往高地址）：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

2、压栈（保存现场），方向：从上往下（高地址往低地址）：假设r0地址为0x10汇编指令示例：
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。 */
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)

三、任务切换（掌握）

任务切换的本质：就是CPU寄存器的切换。
假设当由任务A切换到任务B时，主要分为两步：
第一步：需暂停任务A的执行，并将此时任务A的寄存器保存到任务堆栈，这个过程叫做保存现场；
第二步：将任务B的各个寄存器值（被存于任务堆栈中）恢复到CPU寄存器中，这个过程叫做恢复现场；
对任务A保存现场，对任务B恢复现场，这个整体的过程称之为：上下文切换

注意：任务切换的过程在PendSV中断服务函数里边完成
在这里插入图片描述
PendSV中断是如何触发的？
1、滴答定时器中断调用
2、执行FreeRTOS提供的相关API函数：portYIELD()
本质：通过向中断控制和状态寄存器 ICSR 的bit28 写入 1 挂起 PendSV 来启动 PendSV 中断
在这里插入图片描述
查找最高优先级任务
vTaskSwitchContext( ) /* 查找最高优先级任务 /
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK( ) / 通过这个函数完成 */

 #define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                                                  			
    {                                                                                          									
        UBaseType_t uxTopPriority;                                                             		 		 
        portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxTopReadyPriority );         			
        configASSERT( listCURRENT_LIST_LENGTH( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) > 0 ); 	
        listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) );   	
    }

前导置零指令

#define portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxReadyPriorities )        uxTopPriority = ( 31UL - ( uint32_t ) __clz( ( uxReadyPriorities ) ) )

在这里插入图片描述
所谓的前导置零指令，大家可以简单理解为计算一个 32位数，头部 0 的个数
通过前导置零指令获得最高优先级

获取最高优先级任务的任务控制块

#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList )                                           	
    {                                                                                         							 
        List_t * const pxConstList = ( pxList );                                              					
        ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;                         			
        if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) ) 			 
        {                                                                                      							 
            ( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext;                       			 
        }                                                                                      							 	
        ( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner;                                         			 	 
    }

通过该函数获取当前最高优先级任务的任务控制块
在这里插入图片描述

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