FreeRTOS系列第21篇---FreeRTOS调度器启动过程分析

使用FreeRTOS，一个最基本的程序架构如下所示：

int main(void)
{  
    必要的初始化工作;
    创建任务1;
    创建任务2;
    ...
   vTaskStartScheduler();  /*启动调度器*/
    while(1);   
}

任务创建完成后，静态变量指针pxCurrentTCB（见《FreeRTOS高级篇2---FreeRTOS任务创建分析》第7节内容）指向优先级最高的就绪任务。

但此时任务并不能运行，因为接下来还有关键的一步：启动FreeRTOS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。

API函数vTaskStartScheduler()用于启动调度器，它会创建一个空闲任务、初始化一些静态变量，最主要的，它会初始化系统节拍定时器并设置好相应的中断，然后启动第一个任务。

这篇文章用于「分析启动调度器的过程」，和上一篇文章一样，启动调度器也涉及到硬件特性（比如系统节拍定时器初始化等）。

❝

本文仍然以Cortex-M3架构为例。

❞

启动调度器的API函数vTaskStartScheduler()的源码精简后如下所示：

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

  /*如果使用静态内存分配任务堆栈和任务TCB,则需要为空闲任务预先定义好任务内存和任务TCB空间*/
  #if(configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 )
  {
     vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &usIdleTaskStackSize);
  }
  #endif /*configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */

  /* 创建空闲任务,使用最低优先级*/
  xReturn =xTaskGenericCreate( prvIdleTask, "IDLE",usIdleTaskStackSize, ( void * ) NULL, ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT), &xIdleTaskHandle,pxIdleTaskStackBuffer,pxIdleTaskTCBBuffer, NULL );

  if( xReturn == pdPASS )
  {
      /* 先关闭中断,确保节拍定时器中断不会在调用xPortStartScheduler()时或之前发生.当第一个任务启动时,会重新启动中断*/
     portDISABLE_INTERRUPTS();

      /* 初始化静态变量 */
     xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
     xSchedulerRunning = pdTRUE;
      xTickCount = ( TickType_t ) 0U;

      /* 如果宏configGENERATE_RUN_TIME_STATS被定义,表示使用运行时间统计功能,则下面这个宏必须被定义,用于初始化一个基础定时器/计数器.*/
     portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();

      /* 设置系统节拍定时器,这与硬件特性相关,因此被放在了移植层.*/
      if(xPortStartScheduler() != pdFALSE )
      {
          /* 如果调度器正确运行,则不会执行到这里,函数也不会返回*/
      }
      else
      {
          /* 仅当任务调用API函数xTaskEndScheduler()后,会执行到这里.*/
      }
  }
  else
  {
      /* 执行到这里表示内核没有启动,可能因为堆栈空间不够 */
     configASSERT( xReturn );
  }

  /* 预防编译器警告*/
  ( void ) xIdleTaskHandle;
}

这个API函数首先创建一个空闲任务，空闲任务使用最低优先级（0级），空闲任务的任务句柄存放在静态变量xIdleTaskHandle中，可以调用API函数xTaskGetIdleTaskHandle()获得空闲任务句柄。

如果任务创建成功，则关闭中断（调度器启动结束时会再次使能中断的），初始化一些静态变量，然后调用函数xPortStartScheduler()来启动系统节拍定时器并启动第一个任务。

因为设置系统节拍定时器涉及到硬件特性，因此函数xPortStartScheduler()由移植层提供，不同的硬件架构，这个函数的代码也不相同。

对于Cortex-M3架构，函数xPortStartScheduler()的实现如下所示：

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{
  #if(configASSERT_DEFINED == 1 )
  {
    volatile uint32_tulOriginalPriority;
    /* 中断优先级寄存器0:IPR0 */
    volatile uint8_t * constpucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) (portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 +portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER );
    volatile uint8_tucMaxPriorityValue;

    /* 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(IPR0) */
   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IPR0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;
}

从源码中可以看到，开始的一大段都是冗余代码。

因为Cortex-M3的中断优先级有些违反直觉：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。

根据官方统计，在Cortex-M3硬件上使用FreeRTOS，绝大多数的问题都出在优先级设置不正确上。

因此，为了使FreeRTOS更健壮，FreeRTOS的作者在编写Cortex-M3架构移植层代码时，特意增加了冗余代码。

❝

关于详细的Cortex-M3架构中断优先级设置，参考《FreeRTOS系列第7篇---Cortex-M内核使用FreeRTOS特别注意事项》一文。

❞

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。

❝

关于详细的SVC、PendSV异常描述，推荐《Cortex-M3权威指南》一书的“异常”部分。

❞

这里将PendSV和SysTick异常优先级设置为最低，这样任务切换不会打断某个中断服务程序，中断服务程序也不会被延迟，这样简化了设计，有利于系统稳定。

接下来调用函数vPortSetupTimerInterrupt()设置SysTick定时器中断周期并使能定时器运行这个函数比较简单，就是设置SysTick硬件的相应寄存器。

再接下来有一个关键的函数是prvStartFirstTask()，这个函数用来启动第一个任务。我们先看一下源码：

__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
    /* 调用SVC启动第一个任务 */
    svc 0
    nop
    nop
}

程序开始的几行代码用来复位主堆栈指针MSP的值，表示从此以后MSP指针被FreeRTOS接管，需要注意的是，Cortex-M3硬件的中断也使用MSP指针。

之后使能中断，使用汇编指令svc 0触发SVC中断，完成启动第一个任务的工作。我们看一下SVC中断服务函数：

__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
    orrr14, #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
}

通过上一篇介绍任务创建的文章，我们已经认识了指针pxCurrentTCB。

这是定义在tasks.c中的唯一一个全局变量，指向处于最高优先级的就绪任务TCB。

我们知道「FreeRTOS的核心功能」是确保处于最高优先级的就绪任务获得CPU权限，因此可以说这个指针指向的任务要么正在运行中，要么即将运行（调度器关闭），所以这个变量才被命名为pxCurrentTCB。

根据《FreeRTOS高级篇2---FreeRTOS任务创建分析》第三节我们可以知道，一个任务创建时，会将它的任务堆栈初始化的像是经过一次任务切换一样，如图1-1所示。

对于Cortex-M3架构，需要依次入栈xPSR、PC、LR、R12、R3~R0、R11~R4，其中r11~R4需要人为入栈，其它寄存器由硬件自动入栈。

寄存器PC被初始化为任务函数指针vTask_A，这样当某次任务切换后，任务A获得CPU控制权，任务函数vTask_A被出栈到PC寄存器，之后会执行任务A的代码；

LR寄存器初始化为函数指针prvTaskExitError,这是由移植层提供的一个出错处理函数。

任务TCB结构体成员pxTopOfStack表示当前堆栈的栈顶，它指向最后一个入栈的项目，所以在图中它指向R4;

TCB结构体另外一个成员pxStack表示堆栈的起始位置，所以在图中它指向堆栈的最开始处。

所以，SVC中断服务函数一开始就使用全局指针pxCurrentTCB获得第一个要启动的任务TCB，从而获得任务的当前堆栈栈顶指针。

先将人为入栈的寄存器R4~R11出栈，将最新的堆栈栈顶指针赋值给线程堆栈指针PSP，再取消中断掩蔽。

到这里，只要发生中断，就都能够被响应了。

中断服务函数通过下面两句汇编返回。

Cortex-M3架构中，r14的值决定了从异常返回的模式，这里r14最后四位按位或上0x0d，表示返回时从进程堆栈中做出栈操作、返回后进入线程模式、返回Thumb状态。

orr r14, #0xd       
bx r14

执行bx  r14指令后，硬件自动将寄存器xPSR、PC、LR、R12、R3~R0出栈，这时任务A的任务函数指针vTask_A会出栈到PC指针中，从而开始执行任务A。

至此，任务vTask_A获得CPU执行权，调度器正式开始工作。

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