FreeRTOS-07任务切换对vPortSVCHandler和xPortPendSVHandler的理解

最新推荐文章于 2025-05-08 09:51:50 发布

另一种开始

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文章标签： stm32 嵌入式硬件 vscode

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Tracker647/article/details/135094688

文章详细解析了FreeRTOS中的TCB块概念，以及vPortSVCHandler和xPortPendSVHandler在任务启动和上下文切换中的关键作用，涉及Cortex-M3内核、寄存器操作和中断管理。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

任务的基本单位是TCB块，相当于任务的身份证，其基本成员包括栈指针，栈所在地址，链表节点地址，如下：

FreeRTOS.h

typedef struct tskTaskControlBlock
{
	volatile StackType_t    *pxTopOfStack;    /* 栈顶 */

	ListItem_t			    xStateListItem;   /* 任务节点 */
    
    StackType_t             *pxStack;         /* 任务栈起始地址 */
	                                          /* 任务名称，字符串形式 */
	char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];  
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;

vPortSVCHandler和xPortPendSVHandler讲解

FreeRTOS启动调度器时，将调用prvStartFirstTask启动第一个任务:

/*
 * 参考资料《STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual》4.4.3，百度搜索“PM0056”即可找到这个文档
 * 在Cortex-M中，内核外设SCB的地址范围为：0xE000ED00-0xE000ED3F
 * 0xE000ED008为SCB外设中SCB_VTOR这个寄存器的地址，里面存放的是向量表的起始地址，即MSP的地址
 */
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
	PRESERVE8

	/* 在Cortex-M中，0xE000ED08是SCB_VTOR这个寄存器的地址，
       里面存放的是向量表的起始地址，即MSP的地址 */
	ldr r0, =0xE000ED08
	ldr r0, [r0]
	ldr r0, [r0]

	/* 设置主堆栈指针msp的值 */
	msr msp, r0
    
	/* 使能全局中断 */
	cpsie i
	cpsie f
	dsb
	isb
	
    /* 调用SVC去启动第一个任务 */
    /*产生系统调用，服务号 0表示 SVC 中断，接下来将会执行 SVC 中
断服务函数*/
	svc 0  
	nop
	nop
}

vPortSVCHandler

第一个任务的加载通过触发SVC中断实现, SVC 中断要想被成功响应，其函数名必须与向量表注册的名称一致，在启动文件的向量表中，SVC 的中断服务函数注册的名称是 SVC_Handler，但是在 FreeRTOS 中，官方版本写的是 vPortSVCHandler()，为了能够顺利的响应 SVC 中断，FreeRTOS通过在FreeRTOSConfig.h 中添加添加宏定义的方法来修改函数名，对于PendSV和SysTick的处理同理。

FreeRTOSConfig.h

/* Definitions that map the FreeRTOS port interrupt handlers to their CMSIS
   standard names. */
#define vPortSVCHandler    SVC_Handler
#define xPortPendSVHandler PendSV_Handler

/* IMPORTANT: FreeRTOS is using the SysTick as internal time base, thus make sure the system and peripherials are
              using a different time base (TIM based for example).
 */
#define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

vPortSVCHandler()函数开始真正启动第一个任务，不再返回，实现如下

port.c

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
    extern pxCurrentTCB;
	PRESERVE8

	/* Get the location of the current TCB. */
	ldr	r3, =pxCurrentTCB	//r3=&pxCurrentTCB，即r3指向当前执行任务的TCB指针所在地址
	ldr r1, [r3]			//r1=*r3=pxCurrentTCB,既让r1指向当前任务的TCB
	ldr r0, [r1]			//r0=*r1=pxTopOfStack,即让r0执行当前任务栈顶
	/* Pop the core registers. */
    //将当前任务栈内容pop，保存入cpu寄存器，注意序号小的寄存器会先被pop，所以pop顺序:r4...r10,r11
    //调用最后一行bx r14时，剩下的 xPSR、PC、LR、R12、R3 - R0会自动出栈
	ldmia r0!, {r4-r11} 
	msr psp, r0		// 将当前任务栈顶赋给psp, 即psp = pxTopOfStack，执行后效果如图1所示			
	isb				// 指令同步隔离，确保之前的指令都已执行完毕
        
    // r0清0，用于关中断
    //设置 basepri 寄存器的值为 0，即关闭所有中断。basepri 是一个中断屏蔽寄存器，大于等于此寄存器值的中断都将被屏蔽，但如果设置成0，则不关闭任何中断
	mov r0, #0		
	msr	basepri, r0
    
    //任务上下文加载完毕，中断执行结束，返回用户线程
    //在ARM中，使用r14来保存子程序的返回地址(即上一个程序的地址)，执行后效果如图2所示
	bx r14
}

这里代码中的pxCurrentTCB是当前执行的任务指针，定义在task.c

/* 当前正在运行的任务的任务控制块指针，默认初始化为NULL */
TCB_t * volatile pxCurrentTCB = NULL;

图1, msr psp, r0执行后效果：

图2，bx r14执行后效果, 这个时候出栈使用的是 PSP 指针，自动将栈中的剩下内容加载到 CPU 寄存器： xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）同时 PSP 的值也将更新，即指向任务栈的栈顶

这里要注意一下LDR的使用。LDR有指令和伪指令两种用法，一定要区分开。

区别一
ldr r3, = 变量
ldr r3, = 标号
ldr r3, = 立即数

区别二
ldr r3, = 立即数
ldr r3, 立即数 , 就是把立即数这个地址中的值存放到r0中

步骤:

pxCurrentTCB 是一个指针变量，指向当前运行任务的TCB。
首先将pxCurrentTCB 的地址赋给r3，即 r3 = & pxCurrentTCB ;
然后把pxCurrentTCB 的值赋值给r1，即r1 = pxCurrentTCB 。
最后pxCurrentTCB所指的TCB的第一个成员变量（任务堆栈地址）赋给r0，即r1 = [r3] = *pxCurrentTCB= pxCurrentTCB->pxTopOfStack
把人为入栈的寄存器r4 - r11手动出栈，剩下的 xPSR、PC、LR、R12、R3 - R0会自动出栈。
把出栈完成之后的栈顶地址赋给psp，供任务使用。
这里要注意的就是第一句，是把pxCurrentTCB 的地址赋值给r3，而不是把他的值赋值r3。

xPortPendSVHandler

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
	extern uxCriticalNesting;
	extern pxCurrentTCB;
	extern vTaskSwitchContext;

	PRESERVE8
        
	/*r0=psp, 进入PendSV中断时，上个任务环境即		     
	xPSR,PC,R14,R12,R3,R2,R1,R0这些将自动保存入任务栈，
	剩下R4-R11需要手动保存，同时PSP将自动更新（在更新之前 PSP 指向任务栈的栈顶），
	此时 PSP是"上文"任务的堆栈指针，具体指向见图3*/
	mrs r0, psp 
	isb			//确保之前指令已执行（为什么mrs或者msr执行完之后就要接一个isb或者dsb？不知道）
	/* Get the location of the current TCB. */
	ldr	r3, =pxCurrentTCB	//r3=&pxCurrentTCB
	ldr	r2, [r3]			//r2=*r3=pxCurrentTCB

	/* Save the core registers. */
	stmdb r0!, {r4-r11}	//将cpu寄存器保存入"上文"任务栈，注意push总是先push序号大的，因此push顺序：r11,r10....r4

	/* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */
	str r0, [r2]	//*r2=r0 => pxTopOfStack=p0, 更新"上文"任务的栈顶

	stmdb sp!, {r0, r3}	//入栈栈顶指针和pxCurrentTCB，这个栈的指针是MSP，注意顺序：r3,r0
    /* 至此，上下文切换的"上文"环境保存完成 */
    
    //关中断，高于configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的中断都将被屏蔽，configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值在FreeRTOSConfig.h定义
	mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
	msr basepri, r0
        
	dsb	//数据隔离，同步之前对msr的操作
	isb	//指令隔离，确保之前所有指令已执行完毕，之后的指令使用的是正确的basepri配置
        
	bl vTaskSwitchContext	//跳转到vTaskSwitchContext函数去执行，pxCurrentTCB将被更改指向下一个任务
    //开中断
	mov r0, #0
	msr basepri, r0
   
	ldmia sp!, {r0, r3}	//从MSP栈加载r0和r3，此时r3已经指向新任务pxCurrentTCB的地址值,注意pop顺序：r0,r3
	
    /* 以下为上下文切换的"下文"环境切换 */
	/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
	ldr r1, [r3]	//r1=*r3=pxCurrentTCB,即新任务的TCB
	ldr r0, [r1]	//r0=*r1=pxTopOfStack,即新任务的栈顶指针

	/* Pop the core registers. */
	ldmia r0!, {r4-r11}	//将新任务的任务栈数据加载入cpu寄存器r4-r11
    
    /* 更新psp的值，等PendSV退出时，会以psp作为基地址，将任务栈中剩下的内容自动加载到CPU寄存器 */
    /* 剩下的内容包括: xPSR、PC、LR、r12、r3、r2、r1、r0 */
	msr psp, r0
	isb
	bx r14	//中断结束返回
}