FreeRTOS系列第21篇---FreeRTOS調(diào)度器啟動過程分析

使用FreeRTOS，一個最基本的程序架構(gòu)如下所示：

int main(void)
{  
    必要的初始化工作;
    創(chuàng)建任務(wù)1;
    創(chuàng)建任務(wù)2;
    ...
   vTaskStartScheduler();  /*啟動調(diào)度器*/
    while(1);   
}

任務(wù)創(chuàng)建完成后，靜態(tài)變量指針pxCurrentTCB（見《FreeRTOS高級篇2---FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建分析》第7節(jié)內(nèi)容）指向優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)。

但此時任務(wù)并不能運行，因為接下來還有關(guān)鍵的一步：啟動FreeRTOS調(diào)度器。

調(diào)度器是FreeRTOS操作系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)任務(wù)切換，即找出最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)，并使之獲得CPU運行權(quán)。

調(diào)度器并非自動運行的，需要人為啟動它。

API函數(shù)vTaskStartScheduler()用于啟動調(diào)度器，它會創(chuàng)建一個空閑任務(wù)、初始化一些靜態(tài)變量，最主要的，它會初始化系統(tǒng)節(jié)拍定時器并設(shè)置好相應(yīng)的中斷，然后啟動第一個任務(wù)。

這篇文章用于「分析啟動調(diào)度器的過程」，和上一篇文章一樣，啟動調(diào)度器也涉及到硬件特性（比如系統(tǒng)節(jié)拍定時器初始化等）。

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本文仍然以Cortex-M3架構(gòu)為例。

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啟動調(diào)度器的API函數(shù)vTaskStartScheduler()的源碼精簡后如下所示：

void vTaskStartScheduler( void )
{
BaseType_t xReturn;
StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer= NULL;
StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer= NULL;
uint16_t usIdleTaskStackSize =tskIDLE_STACK_SIZE;

  /*如果使用靜態(tài)內(nèi)存分配任務(wù)堆棧和任務(wù)TCB,則需要為空閑任務(wù)預(yù)先定義好任務(wù)內(nèi)存和任務(wù)TCB空間*/
  #if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
  {
     vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &usIdleTaskStackSize);
  }
  #endif /*configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */

  /* 創(chuàng)建空閑任務(wù),使用最低優(yōu)先級*/
  xReturn =xTaskGenericCreate( prvIdleTask, "IDLE",usIdleTaskStackSize, ( void * ) NULL, ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT), &xIdleTaskHandle,pxIdleTaskStackBuffer,pxIdleTaskTCBBuffer, NULL );

  if( xReturn == pdPASS )
  {
      /* 先關(guān)閉中斷,確保節(jié)拍定時器中斷不會在調(diào)用xPortStartScheduler()時或之前發(fā)生.當(dāng)?shù)谝粋€任務(wù)啟動時,會重新啟動中斷*/
     portDISABLE_INTERRUPTS();

      /* 初始化靜態(tài)變量 */
     xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
     xSchedulerRunning = pdTRUE;
      xTickCount = ( TickType_t ) 0U;

      /* 如果宏configGENERATE_RUN_TIME_STATS被定義,表示使用運行時間統(tǒng)計功能,則下面這個宏必須被定義,用于初始化一個基礎(chǔ)定時器/計數(shù)器.*/
     portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();

      /* 設(shè)置系統(tǒng)節(jié)拍定時器,這與硬件特性相關(guān),因此被放在了移植層.*/
      if(xPortStartScheduler() != pdFALSE )
      {
          /* 如果調(diào)度器正確運行,則不會執(zhí)行到這里,函數(shù)也不會返回*/
      }
      else
      {
          /* 僅當(dāng)任務(wù)調(diào)用API函數(shù)xTaskEndScheduler()后,會執(zhí)行到這里.*/
      }
  }
  else
  {
      /* 執(zhí)行到這里表示內(nèi)核沒有啟動,可能因為堆棧空間不夠 */
     configASSERT( xReturn );
  }

  /* 預(yù)防編譯器警告*/
  ( void ) xIdleTaskHandle;
}

這個API函數(shù)首先創(chuàng)建一個空閑任務(wù)，空閑任務(wù)使用最低優(yōu)先級（0級），空閑任務(wù)的任務(wù)句柄存放在靜態(tài)變量xIdleTaskHandle中，可以調(diào)用API函數(shù)xTaskGetIdleTaskHandle()獲得空閑任務(wù)句柄。

如果任務(wù)創(chuàng)建成功，則關(guān)閉中斷（調(diào)度器啟動結(jié)束時會再次使能中斷的），初始化一些靜態(tài)變量，然后調(diào)用函數(shù)xPortStartScheduler()來啟動系統(tǒng)節(jié)拍定時器并啟動第一個任務(wù)。

因為設(shè)置系統(tǒng)節(jié)拍定時器涉及到硬件特性，因此函數(shù)xPortStartScheduler()由移植層提供，不同的硬件架構(gòu)，這個函數(shù)的代碼也不相同。

對于Cortex-M3架構(gòu)，函數(shù)xPortStartScheduler()的實現(xiàn)如下所示：

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
  #if(configASSERT_DEFINED == 1 )
  {
    volatile uint32_tulOriginalPriority;
    /* 中斷優(yōu)先級寄存器0:IPR0 */
    volatile uint8_t * constpucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) (portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 +portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER );
    volatile uint8_tucMaxPriorityValue;

    /* 這一大段代碼用來確定一個最高ISR優(yōu)先級,在這個ISR或者更低優(yōu)先級的ISR中可以安全的調(diào)用以FromISR結(jié)尾的API函數(shù).*/

    /* 保存中斷優(yōu)先級值,因為下面要覆寫這個寄存器(IPR0) */
   ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister;

    /* 確定有效的優(yōu)先級位個數(shù). 首先向所有位寫1,然后再讀出來,由于無效的優(yōu)先級位讀出為0,然后數(shù)一數(shù)有多少個1,就能知道有多少位優(yōu)先級.*/
    *pucFirstUserPriorityRegister= portMAX_8_BIT_VALUE;
   ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;

    /* 冗余代碼,用來防止用戶不正確的設(shè)置RTOS可屏蔽中斷優(yōu)先級值 */
   ucMaxSysCallPriority =configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY &ucMaxPriorityValue;

    /* 計算最大優(yōu)先級組值 */
   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;

    /* 將IPR0寄存器的值復(fù)原*/
    *pucFirstUserPriorityRegister= ulOriginalPriority;
  }
  #endif /*conifgASSERT_DEFINED */

  /* 將PendSV和SysTick中斷設(shè)置為最低優(yōu)先級*/
 portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_PENDSV_PRI;
 portNVIC_SYSPRI2_REG |=portNVIC_SYSTICK_PRI;

  /* 啟動系統(tǒng)節(jié)拍定時器,即SysTick定時器,初始化中斷周期并使能定時器*/
 vPortSetupTimerInterrupt();

  /* 初始化臨界區(qū)嵌套計數(shù)器 */
 uxCriticalNesting = 0;

  /* 啟動第一個任務(wù) */
 prvStartFirstTask();

  /* 永遠(yuǎn)不會到這里! */
  return 0;
}

從源碼中可以看到，開始的一大段都是冗余代碼。

因為Cortex-M3的中斷優(yōu)先級有些違反直覺：Cortex-M3中斷優(yōu)先級數(shù)值越大，表示優(yōu)先級越低。

而FreeRTOS的任務(wù)優(yōu)先級則與之相反：優(yōu)先級數(shù)值越大的任務(wù)，優(yōu)先級越高。

根據(jù)官方統(tǒng)計，在Cortex-M3硬件上使用FreeRTOS，絕大多數(shù)的問題都出在優(yōu)先級設(shè)置不正確上。

因此，為了使FreeRTOS更健壯，F(xiàn)reeRTOS的作者在編寫Cortex-M3架構(gòu)移植層代碼時，特意增加了冗余代碼。

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關(guān)于詳細(xì)的Cortex-M3架構(gòu)中斷優(yōu)先級設(shè)置，參考《FreeRTOS系列第7篇---Cortex-M內(nèi)核使用FreeRTOS特別注意事項》一文。

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在Cortex-M3架構(gòu)中，F(xiàn)reeRTOS為了任務(wù)啟動和任務(wù)切換使用了「三個異常」：SVC、PendSV和SysTick。

「SVC」（系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用）用于任務(wù)啟動，有些操作系統(tǒng)不允許應(yīng)用程序直接訪問硬件，而是通過提供一些系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)，通過SVC來調(diào)用；

「PendSV」（可掛起系統(tǒng)調(diào)用）用于完成任務(wù)切換，它的最大特性是如果當(dāng)前有優(yōu)先級比它高的中斷在運行，PendSV會推遲執(zhí)行，直到高優(yōu)先級中斷執(zhí)行完畢；

「SysTick」用于產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍時鐘，提供一個時間片，如果多個任務(wù)共享同一個優(yōu)先級，則每次SysTick中斷，下一個任務(wù)將獲得一個時間片。

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關(guān)于詳細(xì)的SVC、PendSV異常描述，推薦《Cortex-M3權(quán)威指南》一書的“異常”部分。

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這里將PendSV和SysTick異常優(yōu)先級設(shè)置為最低，這樣任務(wù)切換不會打斷某個中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序也不會被延遲，這樣簡化了設(shè)計，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

接下來調(diào)用函數(shù)vPortSetupTimerInterrupt()設(shè)置SysTick定時器中斷周期并使能定時器運行這個函數(shù)比較簡單，就是設(shè)置SysTick硬件的相應(yīng)寄存器。

再接下來有一個關(guān)鍵的函數(shù)是prvStartFirstTask()，這個函數(shù)用來啟動第一個任務(wù)。我們先看一下源碼：

__asm void prvStartFirstTask( void )
{
    PRESERVE8
 
    /* Cortext-M3硬件中,0xE000ED08地址處為VTOR(向量表偏移量)寄存器,存儲向量表起始地址*/
    ldr r0, =0xE000ED08    
    ldr r0, [r0]
    /* 取出向量表中的第一項,向量表第一項存儲主堆棧指針MSP的初始值*/
    ldr r0, [r0]   
 
    /* 將堆棧地址存入主堆棧指針 */
    msr msp, r0
    /* 使能全局中斷*/
    cpsie i
    cpsie f
    dsb
    isb
    /* 調(diào)用SVC啟動第一個任務(wù) */
    svc 0
    nop
    nop
}

程序開始的幾行代碼用來復(fù)位主堆棧指針MSP的值，表示從此以后MSP指針被FreeRTOS接管，需要注意的是，Cortex-M3硬件的中斷也使用MSP指針。

之后使能中斷，使用匯編指令svc 0觸發(fā)SVC中斷，完成啟動第一個任務(wù)的工作。我們看一下SVC中斷服務(wù)函數(shù)：

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
    PRESERVE8
 
    ldr r3, =pxCurrentTCB   /* pxCurrentTCB指向處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)TCB */
    ldr r1, [r3]            /* 獲取任務(wù)TCB地址 */
    ldr r0, [r1]            /* 獲取任務(wù)TCB的第一個成員,即當(dāng)前堆棧棧頂pxTopOfStack */
    ldmia r0!, {r4-r11}     /* 出棧,將寄存器r4~r11出棧 */
    msr psp, r0             /* 最新的棧頂指針賦給線程堆棧指針PSP */
    isb
    mov r0, #0
    msr basepri, r0
    orrr14, #0xd           /* 這里0x0d表示:返回后進(jìn)入線程模式,從進(jìn)程堆棧中做出棧操作,返回Thumb狀態(tài)*/
    bx r14
}

通過上一篇介紹任務(wù)創(chuàng)建的文章，我們已經(jīng)認(rèn)識了指針pxCurrentTCB。

這是定義在tasks.c中的唯一一個全局變量，指向處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)TCB。

我們知道「FreeRTOS的核心功能」是確保處于最高優(yōu)先級的就緒任務(wù)獲得CPU權(quán)限，因此可以說這個指針指向的任務(wù)要么正在運行中，要么即將運行（調(diào)度器關(guān)閉），所以這個變量才被命名為pxCurrentTCB。

根據(jù)《FreeRTOS高級篇2---FreeRTOS任務(wù)創(chuàng)建分析》第三節(jié)我們可以知道，一個任務(wù)創(chuàng)建時，會將它的任務(wù)堆棧初始化的像是經(jīng)過一次任務(wù)切換一樣，如圖1-1所示。

對于Cortex-M3架構(gòu)，需要依次入棧xPSR、PC、LR、R12、R3~R0、R11~R4，其中r11~R4需要人為入棧，其它寄存器由硬件自動入棧。

寄存器PC被初始化為任務(wù)函數(shù)指針vTask_A，這樣當(dāng)某次任務(wù)切換后，任務(wù)A獲得CPU控制權(quán)，任務(wù)函數(shù)vTask_A被出棧到PC寄存器，之后會執(zhí)行任務(wù)A的代碼；

LR寄存器初始化為函數(shù)指針prvTaskExitError,這是由移植層提供的一個出錯處理函數(shù)。

任務(wù)TCB結(jié)構(gòu)體成員pxTopOfStack表示當(dāng)前堆棧的棧頂，它指向最后一個入棧的項目，所以在圖中它指向R4;

TCB結(jié)構(gòu)體另外一個成員pxStack表示堆棧的起始位置，所以在圖中它指向堆棧的最開始處。

所以，SVC中斷服務(wù)函數(shù)一開始就使用全局指針pxCurrentTCB獲得第一個要啟動的任務(wù)TCB，從而獲得任務(wù)的當(dāng)前堆棧棧頂指針。

先將人為入棧的寄存器R4~R11出棧，將最新的堆棧棧頂指針賦值給線程堆棧指針PSP，再取消中斷掩蔽。

到這里，只要發(fā)生中斷，就都能夠被響應(yīng)了。

中斷服務(wù)函數(shù)通過下面兩句匯編返回。

Cortex-M3架構(gòu)中，r14的值決定了從異常返回的模式，這里r14最后四位按位或上0x0d，表示返回時從進(jìn)程堆棧中做出棧操作、返回后進(jìn)入線程模式、返回Thumb狀態(tài)。

orr r14, #0xd       
bx r14

執(zhí)行bx  r14指令后，硬件自動將寄存器xPSR、PC、LR、R12、R3~R0出棧，這時任務(wù)A的任務(wù)函數(shù)指針vTask_A會出棧到PC指針中，從而開始執(zhí)行任務(wù)A。

至此，任務(wù)vTask_A獲得CPU執(zhí)行權(quán)，調(diào)度器正式開始工作。

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