FreeRtos的移植

一.前言

之前移植过freertos操作系统，涉及到计算机和操作系统的底层，特此详细记录下这些知识点。至于具体的详细步骤，就不给出了，网上有很多参考，这里只分析“重点”。笔者的cpu内核是cotex-M3.

二.3个重点函数

• vPortSVCHandler()：加载第一个任务的中断处理函数。
• xPortPendSVHandler()：实现任务切换的中断处理函数（保存和恢复任务的上下文）。
• xPortSysTickHandler()：给操作系统提供滴答时钟。

三.vPortSVCHandler

FreeRTOS启动调度器时，调用prvStartFirstTask，再调用SVC中断来启动第一个任务

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__asm void prvStartFirstTask( void )
{
	PRESERVE8

	/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */
	ldr r0, =0xE000ED08 /* 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, [r0]
	ldr r0, [r0]

	/* Set the msp back to the start of the stack. */
	msr msp, r0  /* 设置主堆栈指针msp的值 *
	/* Globally enable interrupts. *//* 使能全局中断 */
	cpsie i
	cpsie f
	dsb
	isb
	/* Call SVC to start the first task. *//* 调用SVC去启动第一个任务 */
	svc 0/*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*/
	nop
	nop
}

SVC中断被触发，PortSVCHandler加载第一个任务

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

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
	PRESERVE8

	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
	ldmia r0!, {r4-r11}		/* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. 
	msr psp, r0				/* Restore the task stack pointer. *// / 将当前任务栈顶赋给psp, 即psp = pxTopOfStack	
	isb                     // 指令同步隔离，确保之前的指令都已执行完毕
	mov r0, #0              // r0清0，用于关中断
	msr	basepri, r0         //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
	orr r14, #0xd
	bx r14                  ///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(LR寄存器)来保存子程序的返回地址(即上一个程序的地址)
}

四.xPortPendSVHandler

任务调度中断，被切换出去的任务，一部分参数由硬件自动保存，一部分手动保存

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__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*/
	mrs r0, psp 
	isb			//确保之前指令已执行
	/* 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
}

五.xPortSysTickHandler

xPortSysTickHandler是一个定时中断服务函数，默认为1ms触发一次。在FreeRTOS中，它被用作触发PendSV中断，实际的任务切换在PendSV_Handler函数中执行。
移植参考如下：

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//xTaskIncrementTick()：
/*

增加系统时钟计数：每次调用时，xTickCount（系统时钟计数器）会增加1。

处理延迟任务：检查是否有任务因为等待时间到期而需要从延迟列表（pxDelayedTaskList）中移除，并将其添加到就绪列表中。

检查任务是否应该被解除阻塞：如果当前的系统时钟计数（xTickCount）大于或等于下一个任务解除阻塞的时间（xNextTaskUnblockTime），那么会遍历延迟列表，找到所有到期的任务，并将其状态从阻塞状态变为就绪状态。

处理时间片轮转：如果开启了时间片轮转（configUSE_TIME_SLICING），并且当前优先级的任务列表中有多个任务，那么可能需要进行任务切换。

调用应用定义的时钟钩子函数：如果定义了configUSE_TICK_HOOK，那么会调用vApplicationTickHook()函数，允许用户在每个时钟节拍时执行特定的操作。

检查是否需要任务切换：如果由于任务优先级变化或者时间片耗尽，需要进行任务切换，那么xSwitchRequired会被设置为pdTRUE，表示需要进行任务切换

*/
void xPortSysTickHandler( void )
{
uint32_t ulPreviousMask;

	ulPreviousMask = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
	{
		/* Increment the RTOS tick. */
		if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
		{
			/* Pend a context switch. */
			*(portNVIC_INT_CTRL) = portNVIC_PENDSVSET;
		}
	}
	portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( ulPreviousMask );
}

void SysTick_Handler(void)
{
	lv_tick_inc(1);
	swm_inctick();
	if (xTaskGetSchedulerState() != taskSCHEDULER_NOT_STARTED)
	{
		xPortSysTickHandler();
	}
	
}