FreeRTOS 任务调度解读

一、FreeRTOS 数据结构

二、在main函数中 启动调度器后，调度器 运行第一个任务taskA

  OS确定第一个运行的任务taskA：启动调度器前，taskA在创建的任务中优先级最高（假设为max_priority），且在优先级为max_priority的那一批任务中，taskA是最后一个创建的任务。

  CPU复位后（进入特权级的线程模式、栈指针为MSP），自动更新 MSP = 中断向量表Item0的值、PC = 中断向量表Item1的值（复位中断函数指针），然后CPU开始运行复位中断函数。可以理解为：CPU复位后，硬件自动运行 第一个任务resetTask。

  任务resetTask 最终会调用main函数。在main函数中，创建各个任务，然后启动调度器，调度器启动时，会更新 MSP = 中断向量表Item0的值（即回收任务resetTask的栈空间），然后通过汇编指令 “svc 0” 触发SVC中断，在SVC中断函数中：

  找到taskA的栈指针（taskA_TCB.pxTopOfStack），然后手动 从 taskA 的栈中把 R4~R11 加载到 CPU对应寄存器（加载完后taskA的栈指针需更新），然后更新 寄存器PSP = taskA的栈指针，最后设置 寄存器LR 低4bit 为 0b1101（后面执行指令 “bx LR ”时返回线程模式 且 从PSP指向的栈中做出栈操作，返回后栈指针使用PSP）， 并调用指令 “bx LR” 返回线程模式（NVIC硬件自动把 R0~R3、R12、LR、PC和xPSR 这8个寄存器 从taskA的栈中 pop到 CPU，PC = taskA入口函数地址，因此taskA开始运行）。

PS：
1、调度器运行第一个任务taskA后，任务resetTask将永远消失，不会再得到CPU运行。

2、CPU硬件运行的第一个任务resetTask，使用MSP作为栈指针；而当调度器运行第一个任务taskA后，所有任务都使用PSP作为栈指针。另外在中断函数中，硬件强制使用MSP作为栈指针。注意：各个任务的栈是相互独立的，中断函数的栈也是独立于各任务的。

​3、在main函数中创建任务taskA时（其他任务也是一样），OS会在taskA的栈中手动做一个CPU现场（R0~R12，LR，PC，xPSR；R13为SP，无须压栈），其中包含taskA的入口函数地址及函数参数、函数返回地址（即taskA异常返回时 会返回到哪里）。

4、在SVC中断函数中：CPU执行 “bx LR”指令退出SVC中断时，NVIC硬件自动把 R0~R3、R12、LR、PC和xPSR 这8个寄存器从taskA的栈中 pop到 CPU（PC = taskA入口函数地址，因此中断返回后 CPU运行的是 taskA）；另外的8个寄存器（R4~R11），需在退出SVC中断前，手动从taskA的栈中 加载到 CPU。并且，由于进入SVC中断前，任务resetTask 使用MSP作为栈指针，而在退出SVC中断后，任务taskA 需使用PSP作为栈指针，因此，在执行 “bx LR”指令退出SVC中断前，需设置寄存器LR 低4bit 为 0b1101。

5、CPU执行 “svc 0” 指令时，svc中断必须能立刻响应，如果此时svc中断被屏蔽，或有更高优先级的中断挂起导致svc中断无法立刻响应，则会触发Hardfault。

三、调度器 切换任务的流程

  OS 在启动调度器时，将PendSV中断优先级配置为最低，后面在需要切换任务时，通过置位PendSV中断挂起标志 来手动触发PendSV中断，然后在PendSV中断函数中切换任务。假设当前正在运行的是taskA 且 taskA没有挂起调度器，CPU此时响应PendSV中断，在PendSV中断函数中：

1、找到切换的目标任务taskB

先确定就绪任务中的最高优先级 max_priority，

然后更新 pxReadyTasksLists[ max_priority ].pxIndex = pxReadyTasksLists[ max_priority ].pxIndex->pxNext，

更新完成后，pxReadyTasksLists[ max_priority ].pxIndex->pvOwner 即为要切换的目标任务taskB

注意：“确定就绪任务中的最高优先级 max_priority” 有两种方法，通过宏 “configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION” 来选择其中一种：

①、configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION = 0时：

  定义一个全局变量 uint32_t uxTopReadyPriority = 0。

  当前运行的任务或中断 每次向 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 中插入优先级为 priority_x 的任务X时，若 priority_x > uxTopReadyPriority，则更新 uxTopReadyPriority = priority_x。（uxTopReadyPriority的值向上更新，记录优先级的历史最高值）

  在 PendSV中断函数中确定就绪任务的最高优先级时，遍历 pxReadyTasksLists[ uxTopReadyPriority ] ----> pxReadyTasksLists[ 0 ]，当发现链表 pxReadyTasksLists[ max_priority ] 不为空时，则 max_priority 即为任务的最高优先级，同时更新 uxTopReadyPriority = max_priority 。（uxTopReadyPriority的值向下更新，记录当前最高优先级的准确值）

②、configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION = 1时（此时configMAX_PRIORITIES 最大值限制为 32）：

  定义一个全局变量 uint32_t uxTopReadyPriority = 0。

  当前运行的任务或中断 每次向 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 中插入优先级为 priority_x 的任务X时，置位 uxTopReadyPriority 的第 priority_x 位；
  当前运行的任务或中断 每次从 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 中移除优先级为 priority_x 的任务X时，若链表 pxReadyTasksLists[ priority_x ] 为空，则清零 uxTopReadyPriority 的第 priority_x 位。

  在 PendSV中断函数中，直接计算就绪任务的最高优先级 max_priority = ( 31 - ( uint32_t ) __clz( uxTopReadyPriority ) )

​  总结就是：用变量 uxTopReadyPriority 的各个bit，准确记录 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 中各个链表的状态。举例：uxTopReadyPriority 的bit0 记录 链表pxReadyTasksLists[ 0 ] 的状态，bit值为0表示链表空，bit值为1表示链表非空；uxTopReadyPriority 的bit1 记录 链表pxReadyTasksLists[ 1 ] 的状态；uxTopReadyPriority 的bit2 记录 链表pxReadyTasksLists[ 2 ] 的状态; … … ；uxTopReadyPriority 的bit31 记录 链表pxReadyTasksLists[ 31 ] 的状态。
​  当前运行的任务或中断每次对 pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ] 插入或移除优先级为 priority_x 的任务X时，根据链表pxReadyTasksLists[ priority_x ]状态来置位或清零 uxTopReadyPriority的第 priority_x 位。
​  在 PendSV中断函数中确定任务的最高优先级时，通过芯片支持的“__clz”指令，可直接计算出任务的最高优先级 max_priority

​  PS：__clz：Count Leading Zeros ，计算前导零指令。该指令返回操作数二进制编码中第一个1前0的个数。如果操作数为0，则指令返回32；如果操作数二进制编码第31位为1，指令返回0

2、把taskA 未被NVIC硬件压栈的CPU寄存器 R4~R11，手动保存到taskA的栈中（保存后taskA的栈指针需更新），然后把taskA的栈指针保存到 taskA_TCB.pxTopOfStack。

​  PS：进入PendSV中断时，NVIC硬件自动把 R0~R3、R12、LR、PC和xPSR 这8个寄存器 push到 taskA的栈中

3、找到taskB的栈指针（taskB_TCB.pxTopOfStack），然后手动 从 taskB 的栈中把 R4~R11 加载到 CPU对应寄存器（加载完后taskB的栈指针需更新），然后更新 寄存器PSP = taskB的栈指针，最后调用指令 “bx LR” 返回线程模式（NVIC硬件自动把 R0~R3、R12、LR、PC和xPSR 这8个寄存器 从taskB的栈中 pop到 CPU，PC = taskB上一次被打断的地址，因此taskB可从上一次被打断处继续运行）。

四、触发任务切换的时机

假设当前正在运行taskA，则触发任务切换（软件触发PendSV中断）的时机有：

1、taskA 主动触发：

  taskA 挂起等待事件（等待超时事件，或 等待信号量/互斥锁/事件组…）；

  taskA 主动让出CPU（调用taskYIELD()）；

  taskA 自杀（调用vTaskDelete(NULL)）；

  （taskA 为空闲任务idleTask）任务idleTask 检测到有其他同优先级的任务就绪。

2、（时间片轮转调度）Systick中断触发时：taskA 的 1 tick 时间片用完了，调度器 自动切换到同优先级的下一个任务。

3、（抢占式调度）优先级更高的taskB 就绪了，调度器 自动切换到taskB。

五、注意事项

1、在main函数中启动调度器时，OS会自动创建一个空闲任务idleTask，以确保在任意时刻总有一个任务就绪。任务idleTask优先级默认是最低的（优先级为0），且为用户提供了一个钩子函数（用户若使用此钩子函数，注意不要调用会让idleTask阻塞的API）。

2、taskA 调用vTaskDelete(NULL) 自杀时，OS会先把 taskA_TCB.xStateListItem 插入链表 xTasksWaitingTermination，后面由任务idleTask 负责回收 taskA的栈 和 taskA_TCB。

3、Cortex-M3/M4 使用的是“向下生长的满栈”模型，SP 指向最后一个被压栈的 32位数值。使用push指令压栈时， SP 先自减 4， 再存入新的数值；使用pop指令出栈时，先从 SP 指针处读出上一次被压入的值，再把 SP 指针自增 4。

参考资料

[1] https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS-Kernel

[2] Joseph Yiu(著)，宋岩(译). Cortex-M3 权威指南.

[3] ARMv7-M_Architecture_Reference_Manual.

[4] CortexM3_Technical_Reference_Manual.

[5] The ARM-THUMB Procedure Call Standard. 24 October, 2000.