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• vTaskStartScheduler() 函数
  • xPortStartScheduler() 函数
  • prvStartFirstTask() 函数
  • vPortSVCHandler() 函数

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

<code>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：

<code>__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 */

ldrr3, =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

msrbasepri, 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。