关于FreeRTOS 使用双堆栈机制来调度任务的学习笔记

一、说在前面的话

双堆栈机制是 FreeRTOS 实现任务调度和中断处理的一个重要手段。

 

二、定义

在 FreeRTOS 中，用户堆栈和系统堆栈是两个不同的内存区域，分别用于不同的目的。以下是它们的详细解释：

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1. 用户堆栈（Task Stack）

• 定义：用户堆栈是每个任务独立拥有的堆栈空间，用于存储任务运行时的上下文信息。

• 作用：

  • 保存任务的局部变量、函数调用信息（返回地址、参数等）。

  • 在任务切换时，保存任务的当前状态（如寄存器值、程序计数器等）。

• 特点：

  • 每个任务都有自己的用户堆栈，大小可以独立配置。

  • 用户堆栈的大小取决于任务的需求（如函数调用深度、局部变量大小等）。

  • 任务运行时，所有的函数调用和局部变量都使用用户堆栈。

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2. 系统堆栈（Interrupt Stack 或 Kernel Stack）

• 定义：系统堆栈是全局共享的堆栈空间，主要用于处理中断和异常。

• 作用：

  • 当中断发生时，保存中断上下文（如寄存器值、程序计数器等）。

  • 用于执行中断服务程序（ISR）时的函数调用和局部变量存储。

• 特点：

  • 系统堆栈是全局唯一的，所有任务和中断共享同一个系统堆栈。

  • 系统堆栈通常较小，因为中断服务程序应尽量简短。

  • 系统堆栈的优先级高于用户堆栈，中断发生时，处理器会自动切换到系统堆栈。

 

  

4. 双堆栈的工作流程

1. 任务运行时：

   • 使用用户堆栈存储任务的局部变量和函数调用信息。

   • 任务切换时，当前任务的用户堆栈会被保存，下一个任务的用户堆栈会被恢复。

2. 中断发生时：

   • 处理器自动切换到系统堆栈，保存中断上下文。

   • 中断服务程序（ISR）使用系统堆栈运行。

   • 中断结束后，恢复之前的用户堆栈，继续执行任务。

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5. 双堆栈的优势

• 隔离性：用户堆栈和系统堆栈分离，避免任务和中断相互干扰。

• 可靠性：系统堆栈专用于中断处理，确保中断服务程序不会破坏任务的状态。

• 灵活性：每个任务可以独立配置用户堆栈大小，适应不同的需求。

 

 三、示例：ARM Cortex-M 的双堆栈机制

1）任务运行时

• 处理器使用 PSP（用户堆栈指针）访问任务的用户堆栈。

• 用户堆栈存储任务的局部变量、函数调用信息等。

（2）中断发生时

• 处理器自动切换到 MSP（系统堆栈指针）。

• 系统堆栈保存中断上下文。

• 中断服务程序（ISR）使用系统堆栈运行。

（3）中断结束后

• 处理器恢复 PSP，继续执行任务。