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[应用相关] FreeRTOS调度器启动过程分析

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 楼主 | 2018-9-14 07:06 | 显示全部楼层 |阅读模式
原文地址:https://blog.csdn.net/zhzht19861011/article/details/51331638

  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),因此本文仍然以Cortex-M3架构为例。


 楼主 | 2018-9-14 07:06 | 显示全部楼层

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。


 楼主 | 2018-9-14 07:07 | 显示全部楼层

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。


 楼主 | 2018-9-14 07:07 | 显示全部楼层

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。


 楼主 | 2018-9-14 07:08 | 显示全部楼层

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。



图1-1:任务创建后任务堆栈分布情况

      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。


 楼主 | 2018-9-14 07:08 | 显示全部楼层

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。


| 2018-9-14 13:47 | 显示全部楼层
任务里怎么调用外设?
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