freertos内核--任务调度剖析
前言
在使用freertos的时候，我们都知道在创建了一系列任务之后，启用调度器，系统就可以帮我们管理任务，分配资源。本文主要对调度器的原理进行剖析，从vTaskStartScheduler()函数开始，一探究竟。
freertos版本：9.0.0
启动调度器
vTaskStartScheduler()
vTaskStartScheduler()用于开启调度器，具体代码如下：
void vTaskStartScheduler( void ){BaseType_t xReturn;xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,"IDLE",configMINIMAL_STACK_SIZE,( void * ) NULL,( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ),&xIdleTaskHandle );if( xReturn == pdPASS ){ portDISABLE_INTERRUPTS();if( xPortStartScheduler() != pdFALSE ){/* Should not reach here as if the scheduler is running thefunction will not return. */} }
}
代码已做删减（只显示了核心部分，下同）。可以看到在开启调度器的时候，vTaskStartScheduler()主要做了三件事：创建空闲任务；关闭中断，确保后续工作不会被Systick打断；同时调用xPortStartScheduler()（此处以ARM_CM3内核为例）
xPortStartScheduler()
xPortStartScheduler()函数代码如下：
BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{extern void vPortStartFirstTask( void );/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;/* Start the timer that generates the tick ISR. Interrupts are disabledhere already. */vPortSetupTimerInterrupt();/* Initialise the critical nesting count ready for the first task. */uxCriticalNesting = 0;/* Start the first task. */prvPortStartFirstTask();/* Should never get here as the tasks will now be executing! Call the taskexit error function to prevent compiler warnings about a static functionnot being called in the case that the application writer overrides thisfunctionality by defining configTASK_RETURN_ADDRESS. */prvTaskExitError();/* Should not get here! */return 0;
}
}
第一步是对系统Systick中断和PendSV中断进行优先级设置，均设置为最低（ 为什么要设置Systick中断和PendSV中断最低优先级），第二步使能Systick中断（但是中断不会发生，因为之前关闭了中断），最后调用vPortStartFirstTask()。
执行第一个任务
vPortStartFirstTask()
vPortStartFirstTask()用于执行第一个任务。
static void prvPortStartFirstTask( void )
{__asm volatile(" ldr r0, =0xE000ED08 \n" /* Use the NVIC offset register to locate the stack. */" ldr r0, [r0] \n"" ldr r0, [r0] \n"" msr msp, r0 \n" /* Set the msp back to the start of the stack. */" cpsie i \n" /* Globally enable interrupts. */" cpsie f \n"" dsb \n"" isb \n"" svc 0 \n" /* System call to start first task. */" nop \n");
}
代码分析：
ldr r0, =0xE000ED08
ldr r0, [r0]
ldr r0, [r0]
msr msp, r0
这4步的目的是给主堆栈的栈顶指针msp赋初值，具体操作步骤如图：
主堆栈指针就指向了栈顶0x200008DB。
cpsie i
cpsie f
之后开启中断和异常，让下面的SVC中断能够响应
svc 0
产生系统调用服务号为0的SVC中断
SVC中断服务函数
vPortSVCHandler()函数代码如下：
void vPortSVCHandler( void )
{__asm volatile (" ldr r3, pxCurrentTCBConst2 \n" /* Restore the context. */" ldr r1, [r3] \n" /* Use pxCurrentTCBConst to get the pxCurrentTCB address. */" ldr r0, [r1] \n" /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */" ldmia r0!, {r4-r11} \n" /* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */" msr psp, r0 \n" /* Restore the task stack pointer. */" isb \n"" mov r0, #0 \n"" msr basepri, r0 \n"" orr r14, #0xd \n"" bx r14 \n"" \n"" .align 4 \n""pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB \n");
}
代码分析：
ldr r3, pxCurrentTCBConst2
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]
此部分代码是将pxCurrentTCBConst2这个任务控制块指向的第一个成员的值赋值给r0。从下图任务控制块的结构体可以看到，第一个成员是栈顶指针。
ldmia r0!, {r4-r11}
msr psp, r0
以r0 为基地址，将栈中向上增长的8个字的内容加载到CPU寄存
器r4~r11，同时r0 也会跟着自增。并将自增后的r0赋值给psp，如下图所示：
mov r0, #0
msr basepri, r0
basepri寄存器置0，打开所有中断
orr r14, #0xd
bx r14
当从SVC中断服务退出前，通过向r14寄存器最后4位按位或上0x0D，使得硬件在退出时使用进程堆栈指针PSP完成出栈操作并返回后进入线程模式、返回用户级。在SVC中断服务里面，使用的是MSP堆栈指针，是处在特权级。关于msp和psp可参考这篇文章：双堆栈…的区别
退出中断，由于此时sp指针使用任务指针psp，所以在进行中断退出的出栈操作时，是以psp指针指向地址开始出栈。这一部分均由硬件完成，相应寄存器会被置位，比如PC指针会更新成新任务的入口地址。
在我们创建任务时，会有初始化任务控制块和任务堆栈的操作。这时候再看看任务堆栈的初始化过程，和上面对比，很多问题都会迎刃而解。
任务堆栈初始化：
StackType_t *pxPortInitialiseStack( StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void *pvParameters )
{/* Simulate the stack frame as it would be created by a context switchinterrupt. */pxTopOfStack--; /* Offset added to account for the way the MCU uses the stack on entry/exit of interrupts. */*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR; /* xPSR */pxTopOfStack--;*pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK; /* PC */pxTopOfStack--;*pxTopOfStack = ( StackType_t ) portTASK_RETURN_ADDRESS; /* LR */pxTopOfStack -= 5; /* R12, R3, R2 and R1. */*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters; /* R0 */pxTopOfStack -= 8; /* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */return pxTopOfStack;
}
至此，pc指针指向任务的函数地址，sp指针(此时为psp)指向任务栈的栈顶，第一个任务成功运行。
任务切换
创建完了第一个任务，我们看到之后没有代码了，那操作系统如何对其他任务调度呢？
不要忘了之前的Systick和PendSV两个中断，因为之前关中断以及SVC执行的缘故，他们一直没有起作用。SVC中断执行完之后，Systick开始执行。
Systick中断
Systick中断使能
在开启调度器的时候，我们调用了vPortSetupTimerInterrupt()来使能系统时钟Systick，代码如下：
__attribute__(( weak )) void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{/* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}
主要工作是设置Systick定时器的中断周期和使能Systick中断
Systick中断服务函数
中断使能后，接下来的所有关于任务切换的工作都由Systick发起。
void xPortSysTickHandler( void )
{portDISABLE_INTERRUPTS();{/* Increment the RTOS tick. */if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ){portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;}}portENABLE_INTERRUPTS();
}
xPortSysTickHandler()函数首先进行关中断处理，然后调用xTaskIncrementTick()函数
xTaskIncrementTick()函数代码如下：
BaseType_t xTaskIncrementTick( void )
{TCB_t * pxTCB;
TickType_t xItemValue;
BaseType_t xSwitchRequired = pdFALSE;/*调度器没有挂起时执行*/if( uxSchedulerSuspended == ( UBaseType_t ) pdFALSE ){/*系统时基+1*/const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;xTickCount = xConstTickCount;/*若系统时间溢出(比如stm32为32位)，则交换延时列表*/if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U ){taskSWITCH_DELAYED_LISTS();}/*有任务的阻塞时间到，解锁任务*/if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime ){/*遍历完所有阻塞时间到的任务*/for( ;; ){/*判断延时列表是否为空*/if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE ){/*设置解锁时间为最大值，不让进入if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )*/xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; break;}else{/*获取延时列表头部的TCB。延时列表是按照各任务的解锁时间顺序排列的，所以头部任务最先解锁*/pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );/*获取解锁时间*/xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );/*因为延时列表可能存在多个解锁时间相同的任务，需要遍历完*/if( xConstTickCount < xItemValue ){xNextTaskUnblockTime = xItemValue;break;}/*将任务移出延时列表*/( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );/*将任务移除事件列表*/if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL ){( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );}/*将任务加入就绪列表*/prvAddTaskToReadyList( pxTCB );/* A task being unblocked cannot cause an immediatecontext switch if preemption is turned off. */#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ){/*判断当前任务的优先级，最大则进行任务切换，否则继续运行原有任务*/if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority ){xSwitchRequired = pdTRUE;}}#endif /* configUSE_PREEMPTION */}}}}else{/*挂起时间自增*/++uxPendedTicks;}/*全局变量xYieldPending为任务切换标志，在其他函数中调用*/#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ){if( xYieldPending != pdFALSE ){xSwitchRequired = pdTRUE;}}#endif /* configUSE_PREEMPTION *//*返回的xSwitchRequired决定是否需要任务切换*/return xSwitchRequired;
}
代码分析：
const TickType_t xConstTickCount = xTickCount + 1;xTickCount = xConstTickCount;
这是代码的第一部分，负责系统时基计数。每进入Systick中断一次，xTickCount值+1。例如Systick中断1ms一次，则xTickCount的值就代表系统运行的毫秒数。当然xTickCount也会有溢出的时候，这视处理器而定。溢出了则从0计数，所以对于长时间的，精确的时间统计，我们会选择其他方案。
/*若系统时间溢出(比如stm32为32位)，则交换延时列表*/
if( xConstTickCount == ( TickType_t ) 0U )
{taskSWITCH_DELAYED_LISTS();
}
这是代码第二部分。这里涉及到了任务的延时列表。freertos采用延时列表的机制来管理阻塞任务，通过给任务设置延时来让任务进入阻塞状态。例如：任务延时A：60ms，B：70ms，C：120ms，系统会按照当前时基值设置任务的解锁时间（假设xTickCount=40）。所以，任务的解锁时间为A：40+60=100ms，B：40+70=110ms，C：40+120=160ms。同时，系统将这些任务按照解锁时间将其插入延时列表，并按顺序排列，值最小的任务代表最先被解锁加入就绪列表，就会被插入到列表最前面。如下图所示：
现在再来谈上面代码的含义。因为Systick存在溢出问题，比如16位系统，会在xTickCount=65535时加一溢出。为了解决这一问题，freertos采用了延时列表和延时溢出列表，比如Systick的溢出值为140，A，B任务由于解锁时间均大于xTickCount，所以都会加入延时列表；而C任务由于40+120=20(溢出)<xTickCount，会被放进溢出延时列表。如下图：
延时列表中的A，B任务执行完后，延时列表为空。在xTickCount溢出后，xTickCount从0开始计数，并交换两列表（指针指向C所在的列表），等C任务解锁并执行。值得注意的是，此时C所在的列表变为延时列表，而刚刚A，B所在的变为溢出列表。这就是freertos对Systick溢出采用的解决办法。
/*有任务的阻塞时间到，解锁任务*/
if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )
{/*遍历完所有阻塞时间到的任务*/for( ;; ){/*判断延时列表是否为空*/if( listLIST_IS_EMPTY( pxDelayedTaskList ) != pdFALSE ){/*设置解锁时间为最大值，不让进入if( xConstTickCount >= xNextTaskUnblockTime )*/xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; break;}else{/*获取延时列表头部的TCB。延时列表是按照各任务的解锁时间顺序排列的，所以头部任务最先解锁*/pxTCB = ( TCB_t * ) listGET_OWNER_OF_HEAD_ENTRY( pxDelayedTaskList );/*获取解锁时间*/xItemValue = listGET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxTCB->xStateListItem ) );/*因为延时列表可能存在多个解锁时间相同的任务，需要遍历完*/if( xConstTickCount < xItemValue ){xNextTaskUnblockTime = xItemValue;break;}/*将任务移出延时列表*/( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xStateListItem ) );/*将任务移除事件列表*/if( listLIST_ITEM_CONTAINER( &( pxTCB->xEventListItem ) ) != NULL ){( void ) uxListRemove( &( pxTCB->xEventListItem ) );}/*将任务加入就绪列表*/prvAddTaskToReadyList( pxTCB );/* A task being unblocked cannot cause an immediatecontext switch if preemption is turned off. */#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 ){/*判断当前任务的优先级，最大则进行任务切换，否则继续运行原有任务*/if( pxTCB->uxPriority >= pxCurrentTCB->uxPriority ){xSwitchRequired = pdTRUE;}}#endif /* configUSE_PREEMPTION */}}
}}
else
{/*挂起时间自增*/
++uxPendedTicks;
}
这是代码第三部分。它判断是否有任务解锁，其中xNextTaskUnblockTime代表最近的任务解锁时间。如果有任务需要解锁，就获取延时列表头部的任务TCB，同时获取其xItemValue值（就是任务解锁时间），之后将其移出延时列表，插入就绪列表，在判断它的优先级是否最高，最高则切换任务，否则不切换。通过这样的操作，任务才能再次被调度。
当然还有一点需要注意。以上步骤是在for循环里面实现的，它的退出条件如下：
/*因为延时列表可能存在多个解锁时间相同的任务，需要遍历完*/
if( xConstTickCount < xItemValue )
{xNextTaskUnblockTime = xItemValue;break;
}
之所以出现遍历多次的情况，是因为同一时间有可能有多个任务需要解锁，也就是说它们的解锁时间是相同的，这种情况不能忽略。
/*全局变量xYieldPending为任务切换标志，在其他函数中调用*/
#if ( configUSE_PREEMPTION == 1 )
{if( xYieldPending != pdFALSE ){xSwitchRequired = pdTRUE;}
}
#endif /* configUSE_PREEMPTION */
这是代码的最后部分。这里涉及到一个全局变量xYieldPending，它是任务切换的标志，会在其它函数中调用，比如vTaskNotifyGiveFromISR()，还有之后的vTaskSwitchContext()。因为有些任务不是在xTaskIncrementTick()中解除阻塞的，而是在其他函数中解除。他们将xYieldPending置位，以达到任务切换的目的。
至此，xTaskIncrementTick()函数结束。它的返回值会作为任务切换的依据，从上面代码的分析可知，任务只有在以下两种情况下才会自动切换：有任务解锁并且其优先级最高，或者xYieldPending置位。
PendSV中断
PendSV中断通过将PENDSV位置位来触发，此前已经在Systick中断服务函数中出现过。
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
PendSV中断服务函数
xPortPendSVHandler()代码如下：
__asm void xPortPendSVHandler( void )
{extern uxCriticalNesting;extern pxCurrentTCB;extern vTaskSwitchContext;PRESERVE8mrs r0, pspisbldr r3, =pxCurrentTCB /* Get the location of the current TCB. */ldr r2, [r3]stmdb r0!, {r4-r11} /* Save the remaining registers. */str r0, [r2] /* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */stmdb sp!, {r3, r14}mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITYmsr basepri, r0dsbisbbl vTaskSwitchContextmov r0, #0msr basepri, r0ldmia sp!, {r3, r14}ldr r1, [r3]ldr r0, [r1] /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */ldmia r0!, {r4-r11} /* Pop the registers and the critical nesting count. */msr psp, r0isbbx r14nop
}
整个代码分为两部分：保存上文和切换下文
保存上文部分：
mrs r0, psp
isbldr r3, =pxCurrentTCB /* Get the location of the current TCB. */
ldr r2, [r3]stmdb r0!, {r4-r11} /* Save the remaining registers. */
str r0, [r2] /* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */
整个过程和SVC中断差不多。
R0=psp，R3=pxCurrentTCB，R2=pxCurrentTCB->TopOfStack(任务块第一个成员为栈顶地址)，保存它们是为了之后使用。
因为在进入PendSV中断时，硬件已经自动将一些寄存器入栈了，所以此时psp的指向如下图所示，只需要将R4-R11手动入栈即可。
此时的R0指向栈顶，将其保存到R2中，更新当前任务栈的栈顶，方便以后任务切换时调用。
中间有一行代码值得注意：
stmdb sp!, {r3, r14}
这行代码的作用时保存R3，R14寄存器的值到堆栈中。在中断中执行时，需使用主堆栈，栈顶指针为msp。之所以要保存到主堆栈中，是因为中断退出的时候，使用的是msp进行出栈操作，而执行vTaskSwitchContext()会让R14的值发生改变，所以需要入栈保护。
至于R3，他在入栈前存的是pxCurrentTCB的地址，执行vTaskSwitchContext()不能确定会不会改变R3的值，所以也入栈保护。
mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
msr basepri, r0
关中断保护，因为之后要操作全局变量pxCurrentTCB。
切换下文部分：
bl vTaskSwitchContext
mov r0, #0
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14}ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1] /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
ldmia r0!, {r4-r11} /* Pop the registers and the critical nesting count. */
msr psp, r0
isb
bx r14
nop
这里首先执行vTaskSwitchContext()函数。
vTaskSwitchContext()函数代码如下：
void vTaskSwitchContext( void )
{if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE ){/* The scheduler is currently suspended - do not allow a contextswitch. */xYieldPending = pdTRUE;}else{xYieldPending = pdFALSE;/* Select a new task to run using either the generic C or portoptimised asm code. */taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();}
}
首先判断调度器是否挂起，再决定是否对xYieldPending进行置位。如果挂起了，则置位xYieldPending，相当于下次开启时会强制进行一次任务切换。如果没挂起，则执行taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()函数。
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()函数代码如下：
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK() \{ \UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority; \\/* Find the highest priority queue that contains ready tasks. */ \while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) ) \{ \configASSERT( uxTopPriority ); \--uxTopPriority; \} \\/* listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY indexes through the list, so the tasks of \the same priority get an equal share of the processor time. */ \listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \uxTopReadyPriority = uxTopPriority; \} /* taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK */
此函数用于选择优先级最高的任务，全局变量pxCurrentTCB就是在这里修改的。因为优先级最高的任务列表不一定就有任务存在（任务阻塞被暂时移除），所以要遍历出此刻有任务存在列表的最高优先级，然后调用listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) )函数，注意此处传入的参数为pxCurrentTCB。
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY()代码如下：
#define listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxTCB, pxList ) \
{ \
List_t * const pxConstList = ( pxList ); \/* Increment the index to the next item and return the item, ensuring */ \/* we don't return the marker used at the end of the list. */ \( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; \if( ( void * ) ( pxConstList )->pxIndex == ( void * ) &( ( pxConstList )->xListEnd ) ) \{ \( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext; \} \( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner; \
}
因为同一优先级下可能存在多个任务，freertos的处理方法是使用时间片，从代码可以很容易看出，每进入一次这个函数，( pxConstList )->pxIndex = ( pxConstList )->pxIndex->pxNext都会执行一次，作用是切换到同优先级的下一个任务，让同优先级的每一个任务都能拥有相同的执行时间。
( pxTCB ) = ( pxConstList )->pxIndex->pvOwner;
之后就是最核心的修改全局变量pxCurrentTCB，它作为参数传递给了pxTCB。至此，pxCurrentTCB更新，指向优先级最高任务。
接下来回到汇编，回到切换下文的内容。
mov r0, #0
msr basepri, r0
ldmia sp!, {r3, r14}ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1] /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
ldmia r0!, {r4-r11} /* Pop the registers and the critical nesting count. */
msr psp, r0
isb
bx r14
nop
首先是开中断，修改完了pxCurrentTCB要立即打开，不然会影响系统的实时性。之后的操作与入栈如出一辙，值得注意的是，之前R3，R14入栈的作用就在这里体现了，R3始终指向pxCurrentTCB的地址，R14保存的进入中断之前的处理器模式和堆栈指针。
到此，freertos的任务调度内核函数剖析结束。
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