FreeRTOS启动任务调度器函数解释
FreeRTOS的任务开始运行的前提是调用了启动调度器函数 vTaskStartScheduler() ，只有调用了该函数任务才会被调度并运行。下面以FreeRTOS v9.0.0版本的源码进行分析FreeRTOS任务调度的启动流程。
vTaskStartScheduler() 函数
void vTaskStartScheduler(void)
{
BaseType_t xReturn;
/* 静态方法创建空闲任务 */
#if (configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1)
{
StaticTask_t *pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;
StackType_t *pxIdleTaskStackBuffer = NULL;
uint32_t ulIdleTaskStackSize;
/* 以静态方式创建任务用户需自定义空闲任务的内存分配函数 */
vApplicationGetIdleTaskMemory(&pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &ulIdleTaskStackSize);
xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic(prvIdleTask,
"IDLE",
ulIdleTaskStackSize,
(void *)NULL,
(tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT),
pxIdleTaskStackBuffer,
pxIdleTaskTCBBuffer);
if (xIdleTaskHandle != NULL)
{
xReturn = pdPASS;
}
else
{
xReturn = pdFAIL;
}
}
#else
{ /* 动态方法创建空闲任务 */
xReturn = xTaskCreate(prvIdleTask,
"IDLE", configMINIMAL_STACK_SIZE,
(void *)NULL,
(tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT),
&xIdleTaskHandle);
}
#endif /* configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION */
/* 如果启用软件定时器 */
#if (configUSE_TIMERS == 1)
{
if (xReturn == pdPASS)
{
/* 创建空闲任务成功，且启用软件定时器，就创建定时器任务 */
xReturn = xTimerCreateTimerTask();
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
#endif /* configUSE_TIMERS */
/* 任务创建成功或定时器任务创建成功（如果使能定时器任务创建的话）*/
if (xReturn == pdPASS)
{
/* 关中断，确保开启调度器之前或过程中，SysTick 不会产生中断
在第一个任务开始运行时，会重新打开中断 */
portDISABLE_INTERRUPTS();
#if (configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1)
{
_impure_ptr = &(pxCurrentTCB->xNewLib_reent);
}
#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */
/* 设置下一个任务的解锁时间为最大，这样可以避免在启动调度器之前不会因为任务解锁而引起任务调度 */
xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY;
/* 置 xSchedulerRunning 标志为真，这指示这调度器即将进行运行 */
xSchedulerRunning = pdTRUE;
/* 将计数值初始化为0，确保在启动调度器时开始计数，使所有任务的时钟节拍一致 */
xTickCount = (TickType_t)0U;
/* 如果定义了configGENERATE_RUN_TIME_STATS，
则必须定义以下宏来配置用于生成运行时计数器时基的定时器/计数器。
运行时间统计功能 */
portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();
/* 用于完成启动任务调度器中与硬件架构相关的配置部分，以及启动第一个任务
调用这个函数以后，就不会再回来了*/
if (xPortStartScheduler() != pdFALSE)
{
/* 调度器正在运行函数不会返回到这里执行 */
}
else
{
/* 只有当任务调用 xTaskEndScheduler() 时才会到达这里
如果调度器没有成功启动，或者某个任务调用了 xTaskEndScheduler() 函数以结束调度器的运行，
则程序将会执行到这里。因此，在这里放置的代码可能会处理一些特殊情况或进行清理工作 */
}
}
/* 可能是因为没有足够的堆空间来创建空闲任务或定时器任务
通过断言来检查内核是否能成功分配所需的内存 */
else
{
configASSERT(xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY);
}
/* 防止编译器警告 */
(void)xIdleTaskHandle;
}
可以看到该函数主要做了几件事。
1.创建空闲任务，根据配置以不同方式创建空闲任务，静态或者动态方式。
2.如果启动了软件定时器功能就创建软件定时器任务，根据配置以静态还是动态方式进行创建软件定时器任务。
3.关闭中断，使用 portDISABLE_INTERRUPTS() 关闭中断，这种方式只会关闭受FreeRTOS所管理的中断，主要是为了防止Systick中断在任务调度器开启之前或过程中产生中断，FreeRTOS会在开始运行第一个任务时重新打开中断。
4.初始化一些全局变量，并将调度器标记为正在运行。
5.初始化任务运行时间统计功能的时基定时器，任务运行时间统计功能需要一个硬件定时器提供高精度的计数，这个硬件定时器就在这里进行配置，如果配置不启用任务运行时间统计功能的，就无需进行这项硬件定时器的配置。
6.调用 xPortStartScheduler() 启动调度器。
xPortStartScheduler() 函数
/* 代码确定了可以在中断服务例程中调用的 FreeRTOS API 函数的最高优先级。
这样可以确保在中断上下文中仅调用安全的API函数，从而保持中断处理的效率和可靠性。*/
BaseType_t xPortStartScheduler(void)
{
#if (configASSERT_DEFINED == 1)
{
volatile uint32_t ulOriginalPriority; // 用于保存即将被覆盖的中断优先级值。
/* 指向第一个用户中断的优先级寄存器地址。这个寄存器存储了中断的优先级值 */
volatile uint8_t *const pucFirstUserPriorityRegister = (uint8_t *)(portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 + portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER);
/* 用于存储计算得到的最大优先级值 */
volatile uint8_t ucMaxPriorityValue;
/* 确定FreeRTOS ISR安全的API函数可以调用的最大优先级。ISR安全函数是以“FromISR”结尾的。
保存即将被覆盖的中断优先级值 */
ulOriginalPriority = *pucFirstUserPriorityRegister;
/* 确定可用的优先级位的数量。首先写入所有可能的位 */
*pucFirstUserPriorityRegister = portMAX_8_BIT_VALUE;
ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;
/* Use the same mask on the maximum system call priority.
对最大系统调用优先级使用相同的掩码。*/
ucMaxSysCallPriority = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY & ucMaxPriorityValue;
/* Calculate the maximum acceptable priority group value for the number
of bits read back.*/
ulMaxPRIGROUPValue = portMAX_PRIGROUP_BITS;
while ((ucMaxPriorityValue & portTOP_BIT_OF_BYTE) == portTOP_BIT_OF_BYTE)
{
ulMaxPRIGROUPValue--;
ucMaxPriorityValue <<= (uint8_t)0x01;
}
/* Shift the priority group value back to its position within the AIRCR
register.*/
ulMaxPRIGROUPValue <<= portPRIGROUP_SHIFT;
ulMaxPRIGROUPValue &= portPRIORITY_GROUP_MASK;
/* Restore the clobbered interrupt priority register to its original
value. */
*pucFirstUserPriorityRegister = ulOriginalPriority;
}
#endif /* conifgASSERT_DEFINED */
/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts.
使PendSV和SysTick为最低优先级中断 */
/* 0xE000ED20 就是SHPR3寄存器的地址,用于配置 PendSV（可悬挂请求）、SysTick 的中断优先级*/
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
portNVIC_SYSPRI2_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
/* Start the timer that generates the tick ISR. Interrupts are disabled
here already. */
/* 设置滴答定时器中断频率 */
vPortSetupTimerInterrupt();
/* Initialise the critical nesting count ready for the first task. */
uxCriticalNesting = 0;
/* 启动第一个任务 */
prvStartFirstTask();
/* Should not get here! */
/* 不应该到达这里 */
return 0;
}
1.配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级。
2.调用函数 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick，该首先会将 SysTick 当前计数值清空，并根据 FreeRTOSConfig.h 文件中配置的configSYSTICK_CLOCK_HZ（SysTick 时钟源频率）和 configTICK_RATE_HZ（系统时钟节拍频率）计算并设置 SysTick 的重装载值，然后启动 SysTick 计数和中断。
3.初始化临界区嵌套计数器为 0。
4.调用函数 prvStartFirstTask() 启动第一个任务。
prvStartFirstTask() 函数
函数 prvStartFirstTask() 用于初始化启动第一个任务前的环境，主要是重新设置 MSP （主堆栈指针）指针，并使能全局中断。
/* 初始化启动第一个任务前的环境，主要是重新设置主堆栈MSP指针，并使能全局中断 */
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
/* 8 字节对齐 */
PRESERVE8
/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */
ldr r0, =0xE000ED08 /* 0xE000ED08 为 VTOR 地址 */
ldr r0, [r0] /* 获取 VTOR 的值 */
ldr r0, [r0] /* 获取 MSP 的初始值 */
/* Set the msp back to the start of the stack.
初始化 MSP */
msr msp, r0
/* 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 启动第一个任务 */
svc 0
nop
nop
}
1.首先是使用了 PRESERVE8，进行 8 字节对齐，这是因为，栈在任何时候都是需要 4 字节对齐的，而在调用入口得 8 字节对齐，在进行 C 编程的时候，编译器会自动完成的对齐的操作，而对于汇编，就需要开发者手动进行对齐。
2.接下来的三行代码是为了获得 MSP 指针的初始值。
什么是 MSP 指针？
程序在运行过程中需要一定的栈空间来保存局部变量等一些信息。当有信息保存到栈中时，MCU 会自动更新 SP 指针，使 SP 指针指向最后一个入栈的元素，那么程序就可以根据 SP 指针来从栈中存取信息。ARM Cortex-M 提供了两个栈空间，这两个栈空间的堆栈指针分别是 MSP（主堆栈指针）和 PSP（进程堆栈指针）。
这两个栈指针在任一时刻只能使用其中一个。
主堆栈指针（MSP）：复位后缺省使用的堆栈指针，用于操作系统内核及异常处理例程（中断服务例程使用的永远都是MSP）。
进程堆栈指针（PSP）：由用户的应用程序代码使用。
在FreeRTOS 中 MSP 是给系统栈空间使用的，而 PSP 是给任务栈使用的，也就是说，FreeRTOS 任务的栈空间是通过 PSP 指向的，而在进入中断服务函数时，则是使用 MSP 指针。
为什么是 0xE000ED08？
0xE000ED08 是 VTOR（向量表偏移寄存器）的地址，VTOR 中保存了向量表的偏移地址。一般来说向量表是从起始地址 0x00000000 开始的，但是在有些情况下，可能需要修改或重定向向量表的首地址，因此 ARM Corten-M 提供了 VTOR 寄存器对向量表进行重定向。
向量表是用来保存中断异常的入口函数地址，即栈顶地址的，并且向量表中的第一个字保存的就是栈顶的地址，在 start_stm32xxxxxx.s 文件中有如下定义：
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
以上就是向量表的部分内容，可以看到向量表的第一个元素就是栈指针的初始值，也就是栈顶指针。所以 prvStartFirstTask() 该函数首先是获取 VTOR 的地址，接着获取VTOR 的值，也就是获取向量表的首地址，最后获取向量表中第一个字的数据，也就是栈顶指针。
3.在获取了栈顶指针后，将 MSP 指针重新赋值为栈顶指针。这个操作相当于丢弃了程序之前保存在栈中的数据，因为FreeRTOS从开启任务调度器到启动第一个任务都是不会返回的，是一条不归路，因此将栈中的数据丢弃，也不会有影响。
4.重新赋值 MSP 后，接下来就重新使能全局中断，因为之前在函数 vTaskStartScheduler()中关闭了受 FreeRTOS 管理的中断。
5.最后使用 SVC 指令，并传入系统调用号 0，触发 SVC 中断。
vPortSVCHandler() 函数
当使能了全局中断，并且手动触发 SVC 中断后，就会进入到 SVC 的中断服务函数中。
__asm void vPortSVCHandler( void )
{
PRESERVE8
/* 获取任务栈地址 */
ldr r3, =pxCurrentTCB /* 恢复上下文, r3 指向优先级最高的就绪态任务的任务控制块 */
ldr r1, [r3] /* 使用pxCurrentTCBConst获取pxCurrentTCB地址. r1 为任务控制块地址*/
ldr r0, [r1] /* pxCurrentTCB中的第一项是任务栈的顶部。r0 为任务控制块的第一个元素（栈顶） */
/* 模拟出栈，并设置 PSP，任务栈弹出到 CPU 寄存器 */
ldmia r0!, {r4-r11} /* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */
/* 设置 PSP 为任务栈指针 */
msr psp, r0 /* 恢复任务栈指针 */
isb
/* 使能所有中断 */
mov r0, #0
msr basepri, r0
/* 使用 PSP 指针，并跳转到任务函数 */
orr r14, #0xd
bx r14
}
该函数用于跳转到任务函数当中。
首先通过 pxCurrentTCB 获取优先级最高的就绪态任务的任务栈地址，优先级最高的就绪态任务就是系统将要运行的任务。pxCurrentTCB 是一个全局变量，用于指向系统中优先级最高的就绪态任务的任务控制块，在前面创建 start_task 任务、空闲任务、定时器处理任务时自动根据任务的优先级高低已经进行过赋值的。
