rtos任务切换与调度

1、STM32L的 LR 寄存器

1. LR寄存器，即R14，全称为Link register，翻译过来就是链接寄存器，专门用于函数、中断返回使用。在函数调用开始时，LR寄存器的值就是PC的值（返回地址），是CPU自动计算的，不需要程序员去更新，可以简单的理解为当我们调用BL时，CPU就知道我们要执行函数调用操作了，它就会很贴心的更新LR值。函数执行完成后，当我们需要将压栈的LR出栈操作，可以直接将LR出栈到PC，此时PC就可以直接拿LR的值去执行，实现函数返回。所以在函数调用即返回过程中，LR是可以直接用来做返回地址的。
2. 在中断发生时，CPU仍然会自动更新LR的值，只不过这里就不是将当前PC值更新到LR了，而是根据当前的模式、MSP/PSP使用等情况来查表生成一个EXC_RETURN值，将EXC_RETURN值更新到LR里。即此时的LR已经不是函数返回可以直接使用的PC值了。中断执行完毕后，我们会对LR进行出栈操作,出栈到PC，CPU发现PC的值是EXC_RETURN范围，就知道这是中断返回了，即此时的PC值并不会被真正执行，而只是一个提示而已，CPU会自动将进入中断时硬件压栈的栈帧数据进行出栈，出栈的信息里就包括了返回地址，将该地址，再次赋值给了PC。使得程序继续执行。
3. 简单来说就是

• 普通函数调用
  当执行 BL（Branch with Link）指令时，LR 自动保存下一条指令的地址（即返回地址）。
  函数返回时通过 BX LR 或 POP {PC} 跳转回调用点。

• 异常/中断处理
  进入异常时：硬件自动将返回地址（PC）和其他状态（如 xPSR）压入当前堆栈（MSP 或 PSP），并将 LR 设置为特殊值（如 0xFFFFFFF9），表示返回时使用 MSP 还是 PSP。
  退出异常时：根据 LR 的值确定返回模式和堆栈指针，也就是EXC_RETURN：
  LR = 0xFFFFFFF1 → 返回 Handler 模式，继续使用 MSP。
  LR = 0xFFFFFFF9 → 返回 Thread 模式，使用 MSP。
  LR = 0xFFFFFFFD → 返回 Thread 模式，使用 PSP（FreeRTOS 任务使用的模式）。

2、MSP 与 PSP 的区别及 FreeRTOS 中的应用

1. MSP（Main Stack Pointer）
   默认堆栈指针：用于异常处理（如中断、SVC）和特权级代码。
   静态分配：在系统启动时由启动文件初始化（如 _estack 符号）。

   在链接文件中有

   _estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM); /* end of "RAM" Ram type memory */
   

   启动文件中_estack的值在0x08000000位置

   **g_pfnVectors:**
   
     **.word**  _estack
   
     **.word**  Reset_Handler
   
     **.word**  NMI_Handler
   
     **.word**  HardFault_Handler
   
     **.word**  MemManage_Handler
   
     **.word**  BusFault_Handler
   
     **.word**  UsageFault_Handler
   

2. PSP（Process Stack Pointer）
   任务堆栈指针：用于用户任务（线程模式）的私有堆栈。
   动态切换：FreeRTOS 每个任务有自己的 PSP，任务切换时更新 PSP。

3. FreeRTOS 中的堆栈管理
   特权级与用户级分离：内核代码运行在 Handler 模式，使用 MSP。用户任务运行在 Thread 模式，使用 PSP。
   任务上下文保存：任务切换时，将 R4-R11 手动保存到任务堆栈（通过 PSP），其余寄存器由硬件自动保存。要注意的是一旦开始任务调度就开始默认使用PSP,SVC异常中断是软件中断任务启动后就会使用PSP，但普通硬件中断时还会自动使用MSP;

3、FreeRTOS 任务切换实现分析

1. 开始调度时，启动第一个任务：prvPortStartFirstTask

   static void prvPortStartFirstTask( void )
   {
       /* 启动第一个任务。此操作还清除了指示FPU（浮点单元）正在使用的位，以防在调度器启动之前使用了FPU，
          如果不清除该位，会导致在SVC栈中多留出空间用于懒保存FPU寄存器。 */
   
       __asm volatile(
                       " ldr r0, =0xE000ED08 	\n" /* 加载 VTOR 寄存器地址（存储向量表基址。 */
                       " ldr r0, [r0] 			\n" /* 读取该寄存器的值，获取向量表的基地址。 */
                       " ldr r0, [r0] 			\n" /* 再次读取，得到存储在向量表中的主栈指针（MSP）值。 */
                       " msr msp, r0			\n" /* 将MSP寄存器设置为从向量表中读取到的栈顶地址。 */
                       
                       " mov r0, #0			\n" /* 清除指示FPU正在使用的位，确保不会为FPU寄存器保存预留空间。 */
                       " msr control, r0		\n" /* 设置CONTROL寄存器，清除FPU使用标志，同时切换到特权模式。 */
                       
                       " cpsie i				\n" /* 全局启用IRQ（中断）。通过设置'i'位，允许IRQ中断。 */
                       " cpsie f				\n" /* 全局启用FPU中断。通过设置'f'位，允许FPU中断。 */
                       
                       " dsb					\n" /* 数据同步屏障（DSB）：确保所有之前的指令完成后才继续执行。 */
                       " isb					\n" /* 指令同步屏障（ISB）：确保指令管线被刷新，且正确获取新指令。 */
                       
                       " svc 0					\n" /* 触发系统服务调用（SVC），开始第一个任务的调度。此时将引发上下文切换。 */
                       " nop					\n" /* 空操作：此指令不做任何事，通常用于占位或填补指令槽。 */
                   );
   }
   
   

   初始化 MSP：从向量表（0xE000ED08 为 VTOR 寄存器地址）获取主堆栈初始值，也就是0x0800000的值。

   正常上电时默认使用MSP，在程序执行到这里时栈顶地址早以不是这个值，这里使用 msr msp, r0，重新设置为初始主堆栈地址，是因为下一步就要在SVC开启任务调度，并开始使用PSP任务指针，原本MSP主堆栈中的数据也不会再用到了；

   ---

   我在仿真测试时在执行这个函数 prvPortStartFirstTask前 sp值是0x2001ffa0 在进入SVC中断函数时变为了 0x2001ffe0 0x20020000-0x2001ffe0 =32

   进入 SVC 中断时，处理器会自动将以下寄存器压入 MSP 栈：

   程序状态寄存器（xPSR）

   返回地址（PC）

   链接寄存器（LR）

   寄存器 R0-R3, R12如果使用 FPU，还会保存 FPU 上下文。

   栈消耗量约为 32字节（无 FPU）或 72字节（有 FPU，这里不确定）。

   触发 SVC 异常：通过 svc 0 进入内核模式，启动第一个任务。

   ---

2. SVC 中断服务函数：vPortSVCHandler

   void vPortSVCHandler( void )
   {
       __asm volatile (
           " ldr r3, pxCurrentTCBConst2 \n" // 加载 pxCurrentTCB 的地址到 r3
           " ldr r1, [r3]            \n"    // 获取当前 TCB 的地址（r1 = pxCurrentTCB）
           " ldr r0, [r1]            \n"    // 获取任务的栈顶指针（r0 = pxTopOfStack）
           " ldmia r0!, {r4-r11, r14}\n"    // 从栈中恢复寄存器 r4-r11 和 LR（EXC_RETURN）
           " msr psp, r0            \n"    // 设置 PSP 为任务栈顶
           " isb                     \n"    
           " mov r0, #0              \n"    
           " msr basepri, r0         \n"    // 解除中断屏蔽（BASEPRI = 0）
           " bx r14                 \n"     // 使用 EXC_RETURN 返回到线程模式（PSP 栈）
           " .align 4                \n"
           "pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB \n"
       );
   }
   

   恢复任务上下文：从任务堆栈中恢复 R4-R11（其余寄存器由硬件自动恢复）。

   设置 PSP：将任务堆栈指针赋值给 PSP。

   配置返回模式：通过修改 LR 为 0xFFFFFFFD，确保退出异常后使用 Thread 模式（线程模式）。

   使用 PSP 作为堆栈指针。

   跳转执行：BX LR 触发返回，开始执行任务代码

3. PENDSV中断服务函数、

   任务正常开始调度后，后续在PENDSV中断去切换任务，这里如果是从任务中正常启动了任务调度，使用PSP,自动将R0-R3 xPSR PC LR R12压入堆栈；

   void xPortPendSVHandler( void )
   {
       __asm volatile (
       //应该是有自动的R0-R3 xPSR PC LR R12入栈
           " mrs r0, psp             \n"    // 获取当前任务的 PSP 到 r0
           " isb                     \n" //指令同步屏障
           " ldr r3, pxCurrentTCBConst \n"  // 加载 pxCurrentTCB 地址到 r3
           " ldr r2, [r3]            \n"    // 获取当前 TCB 地址（r2 = pxCurrentTCB）
           " tst r14, #0x10          \n"    // 检查 LR 的 bit4（是否需保存 FPU 寄存器）
           " it eq                   \n"    //条件执行：如果 bit4=0（使用 FPU）
           " vstmdbeq r0!, {s16-s31} \n"    // 若使用 FPU，保存高部分 FPU 寄存器
           " stmdb r0!, {r4-r11, r14}\n"    // 保存 r4-r11 和 LR（EXC_RETURN）
           " str r0, [r2]           \n"     // 更新 TCB 中的栈顶指针
           " stmdb sp!, {r0, r3}     \n"    //此时r0是当前任务的栈指针 r3是pxCurrentTCB的地址，将 r0 和 r3 压入 MSP 栈（临时保存）
           " mov r0, %0              \n"    //将 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 加载到 r0
           " msr basepri, r0         \n"    // 屏蔽低优先级中断（configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）
           " dsb                     \n"    
           " isb                     \n"    
           " bl vTaskSwitchContext   \n"    // 调用调度器选择新任务
           " mov r0, #0              \n"    
           " msr basepri, r0         \n"    // 解除中断屏蔽
           " ldmia sp!, {r0, r3}     \n"    //从 MSP 栈恢复 r0 和 r3 ,vTaskSwitchContext中pxCurrentTCB指针的值已经被改变，变为了下一个控制块的地址
           " ldr r1, [r3]           \n"     // 获取新任务的 TCB 地址
           " ldr r0, [r1]           \n"     // 获取新任务的栈顶指针
           " ldmia r0!, {r4-r11, r14}\n"    // 恢复新任务的寄存器 r4-r11 和 LR
           " tst r14, #0x10         \n"     // 检查是否需要恢复 FPU 寄存器
           " it eq                   \n"    
           " vldmiaeq r0!, {s16-s31} \n"    // 恢复 FPU 高寄存器
           " msr psp, r0            \n"     // 更新 PSP 为新任务的栈顶
           " isb                     \n"    
           " bx r14                 \n"     // 返回到新任务（使用 EXC_RETURN） R14与LR是同一个
           // 应该是有自动的R0-R3 xPSR PC LR R12出栈
           " .align 4               \n"
   
           "pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB \n" //得到pxCurrentTCB的地址
           ::"i"(configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY) //立即数 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
       );
   }
   

4、时间片调度与任务切换

1. 时间片轮转机制

   SysTick 中断：FreeRTOS 使用 SysTick 定时器生成 1ms 时间片中断。

   中断处理流程：

   SysTick 中断触发，进入 xPortSysTickHandler。

   检查是否需切换任务（如时间片用完）。

   若需切换，触发 PendSV 异常，由 xPortPendSVHandler 执行上下文切换。

2. 主动任务切换

   taskYIELD() 是 FreeRTOS 中用于主动触发任务切换的一个宏。任务可以在任何时候调用 taskYIELD() 来主动请求操作系统切换任务。调用 taskYIELD() 后，系统会立即执行任务切换，通常是触发一个 PendSV 中断来保存当前任务的上下文并恢复另一个任务的上下文。例如osDelay() 里面就有portYIELD() 注意#define taskYIELD() portYIELD()。