FreeRTOS笔记（三）：任务调度器

调度器是 FreeRTOS 操作系统的核心，主要负责任务切换，即找出最高优先级的就绪任务，并使之获得 CPU 运行权。调度器并非自动运行的，需要人为启动它。

使用场景如下：

int main(void)
{
	//....
	//创建任务	           
    vTaskStartScheduler();   //开启任务调度器
}
           

一、任务调度器开启函数

创建任务之后，就会调用vTaskStartScheduler()函数开启调度器，具体函数如下：

void vTaskStartScheduler( void )
{
	BaseType_t xReturn;

	xReturn = xTaskCreate(	prvIdleTask,  //-----------------------------------（1）
							"IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,
							( void * ) NULL,
							( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ),
							&xIdleTaskHandle ); 

	#if ( configUSE_TIMERS == 1 )  //使能定时器
	{
		if( xReturn == pdPASS )
		{
			xReturn = xTimerCreateTimerTask();  //----------------------------（2）
		}
		else
		{
			mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
		}
	}
	#endif /* configUSE_TIMERS */

	if( xReturn == pdPASS )   //空闲任务和定时器任务创建成功
	{
		
		portDISABLE_INTERRUPTS();            //----------------------------（3）

		#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )   //使能NEWLIB
		{
			
			_impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );
		}
		#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */

		xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
		xSchedulerRunning = pdTRUE;    //--------------------------------（4）
		xTickCount = ( TickType_t ) 0U;

		
		portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();  //-------------------（5）

		if( xPortStartScheduler() != pdFALSE )     //---------------------（6）
		{
			//任务调度器启动成功不会运行到这
		}
		else
		{
			//不会运行到这
		}
	}
	else
	{
		//创建空闲任务或定时器任务失败，导致启动失败
		configASSERT( xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY );
	}
	//防止编译出错
	( void ) xIdleTaskHandle;
}
           

分析如下：

（1）创建空闲任务；

（2）使能软件定时器，并创建定时器任务；

（3）关闭中断，在SVC中断函数中会打开中断；

（4）xSchedulerRunning设置为真，表示调度器开启；

（5） 如果宏configGENERATE_RUN_TIME_STATS被定义,表示使用运行时间统计功能,用于初始化一个基础定时器/计数器；

（6）调用xPortStartScheduler来初始化跟调度器有关的硬件，比如滴答定时器与PendSV。具体将在一下节介绍。

二、内核相关硬件初始化函数分析

FreeRTOS系统时钟由滴答定时器来提供，而且任务切换也会用到PendSV中断，这些硬件都是由xPortStartScheduler()函数完成。

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
	//省略了条件编译
	
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI; 	//------------------（1）
	portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;	//------------------（2）

	vPortSetupTimerInterrupt();						//------------------（3）

	uxCriticalNesting = 0;							//------------------（4）

	prvStartFirstTask();							//------------------（5）

	return 0;
}
           

（1）设置PendSV中断优先级，为最低优先级；

（2）设置滴答定时器中断优先级，为最低优先级；

（3）设定滴答定时器周期以及使能滴答定时器的中断；

（4）初始化临界区嵌套计数器；

（5）调用prvStartFirstTask()开启第一个任务。将在下节介绍

补充：

在 Cortex-M3 架构中，FreeRTOS 为了任务启动和任务切换使用了三个异常：SVC、PendSV 和 SysTick。

●SVC（系统服务调用）用于任务启动，有些操作系统不允许应用程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，通过 SVC 来调用；

●PendSV（可挂起系统调用）用于完成任务切换，它的最大特性是如果当前有优先级比它高的中断在运行，PendSV 会推迟执行，直到高优先级中断执行完毕；

●SysTick 用于产生系统节拍时钟，提供一个时间片，如果多个任务共享同一个优先级，则每次 SysTick 中断，下一个任务将获得一个时间片。

三、启动第一个任务

硬件初始化的函数最后一步就是开启第一个任务，调用函数prvStartFirstTask()完成，这是一个汇编函数，如下：

__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*/
    ldr r0, =0xE000ED08    
    ldr r0, [r0]
    /* 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]   
 
    /* 将堆栈地址存入主堆栈指针 */
    msr msp, r0
    /* 使能全局中断*/
    cpsie i
    cpsie f
    dsb
    isb
    
    svc 0   //触发SVC中断开启第一个任务
    nop
    nop
}
           

四、SVC中断函数

在函数prvStartFirstTask中通过调用SVC指令触发了SVC中断，第一个任务的启动就是在SCV中断服务函数中完成的。

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
    PRESERVE8
 
    ldr r3, =pxCurrentTCB   		//---------------------（1）
    ldr r1, [r3]            		//---------------------（2）
    ldr r0, [r1]            		//---------------------（3）
    ldmia r0!, {r4-r11，r14}    		//---------------------（4） 
    msr psp, r0             		//---------------------（5）
    isb								
    mov r0, #0						
    msr basepri, r0        			//---------------------（6）
    orrr14, #0xd         			//---------------------（7）
    bx r14							//---------------------（8）
}
           

（1） pxCurrentTCB指向处于最高优先级的就绪任务TCB ；

（2） 获取任务TCB地址 ；

（3） 获取任务TCB的第一个成员,即当前堆栈栈顶pxTopOfStack ；

（4） 将寄存器r4~r11和r14出栈 ；

（5） 进程堆栈指针PSP设置成任务堆栈；

（6） 打开中断；

（7） CPU退出中断，进入线程模式并使用线程栈；

（8） 执行此代码后，任务调度正式成功，第一个任务开始运行。

参考资料

https://blog.csdn.net/qq_27114397/article/details/83017422