FreeRTOS学习------接口宏portmacro.h，仅用于记录自己阅读与学习源码
FreeRTOS Kernel V10.5.1
port ：GCC/ARM_CM7
文章目录
Systick
源码
在Systick中断xPortSysTickHandler中，只做了一件事，那就是挂起PendSV中断。
所以其实切换任务是在PendSV中断执行的。
c
void xPortSysTickHandler( void )
{
/* SysTick以最低的中断优先级运行 */
portDISABLE_INTERRUPTS();
{
/* Increment the RTOS tick. */
if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
{
/* 上下文切换在 PendSV 中断 中执行
* 挂起 PendSV 中断. */
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
}
}
portENABLE_INTERRUPTS();
}触发方式
在开启调度器时，会调用定时器中断设置函数vPortSetupTimerInterrupt，以生成 tick 中断，如下：
vTaskStartScheduler →
xPortStartScheduler →
vPortSetupTimerInterrupt
配置系统的滴答定时器，以允许操作系统根据配置的频率生成定时中断，从而支持任务的调度和管理
c
__attribute__( ( weak ) ) void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{
/* 低功耗模式，这里先不做分析. */
#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 )
{
ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );
xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;
ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ / configSYSTICK_CLOCK_HZ );
}
#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE */
/* 停止和清除SysTick. */
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;/*将控制寄存器设置为0，停止SysTick*/
portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;/*将当前值寄存器清零。*/
/* 配置SysTick. */
/* 设置加载寄存器，将SysTick的计数重加载为目标计数值*/
portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;
/* 设置SysTick的控制寄存器，以启用时钟、启用中断和使能SysTick*/
portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT_CONFIG | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}这几个值分别是
c
#define configSYSTICK_CLOCK_HZ ( configCPU_CLOCK_HZ )
/* Ensure the SysTick is clocked at the same frequency as the core. */
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT_CONFIG ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT )
#define configCPU_CLOCK_HZ ( SystemCoreClock )
#define configTICK_RATE_HZ ( 1000 )
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT ( 1UL << 2UL )
#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT ( 1UL << 0UL )然后就会按照设定的时间（默认1ms）周期性的触发Systick中断
SVC
源码
c
void vPortSVCHandler( void )
{
__asm volatile ( /* volatile表示不能移除或重排序这段代码. */
" ldr r3, pxCurrentTCBConst2 \n"/* 将pxCurrentTCB的地址加载到r3中. */
" ldr r1, [r3] \n"/* 从r3指向的位置读取当前任务控制块（TCB）的地址并将其存储在r1中. */
" ldr r0, [r1] \n"/* 从r1指向的位置读取数据，即当前任务控制块中的第一个元素，所以r0中保存的就是当前任务栈的栈顶地址. */
" ldmia r0!, {r4-r11, r14} \n"/* 栈中弹出寄存器r4到r11和r14（链接寄存器），这里使用ldmia指令（加载多寄存器），!表示更新指针r0，指向下一个数据. */
" msr psp, r0 \n"/* 将恢复后的任务栈指针r0存入psp，这样就恢复了当前任务的执行上下文. */
" isb \n"/* 指令同步屏障，确保之前的指令在接下来的指令执行之前完成*/
" mov r0, #0 \n"/* 将寄存器r0清零，准备设置中断优先级屏蔽*/
" msr basepri, r0 \n"/* 将basepri设置为0，意味着没有设置优先级屏蔽，允许所有中断*/
" bx r14 \n"/* 通过bx指令跳转到r14寄存器中保存的地址，通常是返回到被中断的任务执行*/
" \n"
" .align 4 \n"/* 确保下一条指令或数据在4字节边界对齐*/
"pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB \n"/* 定义一个标签pxCurrentTCBConst2，并将pxCurrentTCB的地址存储到这个标签中，以便在前面的ldr指令中使用*/
);
}- 获取当前任务控制块pxCurrentTCB的栈顶地址
- 将r4-r11, r14手动出栈
- 将当前栈顶指针存入psp
- 开中断
ldr r3, pxCurrentTCBConst2：将pxCurrentTCBConst2的值（即pxCurrentTCB的地址）加载到寄存器r3中。
ldr r1, [r3]：从r3指向的内存地址加载当前任务控制块（TCB）的地址到r1中。
ldr r0, [r1]：从r1指向的TCB地址加载当前任务栈的栈顶地址到r0中。
ldmia r0!, {r4-r11, r14}：从r0指向的栈中弹出寄存器r4到r11和r14，!表示更新r0的值，指向下一个数据。
msr psp, r0：将恢复后的任务栈指针r0存入PSP（进程栈指针）。
mov r0, #0：将寄存器r0清零。
msr basepri, r0：将basepri寄存器设置为0，允许所有中断。
bx r14：跳转到返回地址。
pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB：定义标签pxCurrentTCBConst2并将pxCurrentTCB的地址存储在该位置
触发方式
SVC（Supervisor Call）中断是通过软件触发的中断
SVC指令：软件通过执行 SVC 指令显式地请求中断，svc 0
当SVC指令被执行后，处理器会根据中断向量表中的信息跳转到相应的SVC中断处理函数，执行SVC指令时，处理器会自动保存当前的上下文，并将处理器的模式切换为特权模式，从而允许执行受限的操作
在开启调度器时，会调用开始第一个任务函数，如下
vTaskStartScheduler →
xPortStartScheduler →
prvPortStartFirstTask
c
static void prvPortStartFirstTask( void )
{
/* 开始第一个任务。这也清除了指示FPU正在使用的位，以防FPU在调度器启动之前被使用，
* 否则会导致SVC堆栈中不必要的空间留下，以延迟保存FPU寄存器。 */
__asm volatile (
" ldr r0, =0xE000ED08 \n"/* 加载NVIC偏移寄存器的地址到r0寄存器，这个寄存器用于访问系统控制块（SCB）的基地址. */
" ldr r0, [r0] \n"
" ldr r0, [r0] \n"/* 读取两次，从SCB中加载系统栈指针（MSP）的值到r0寄存器*/
" msr msp, r0 \n"/* 将r0中的值设置为主栈指针(MSP)，这标志着栈的开始. */
" mov r0, #0 \n"/* 清除控制寄存器中指示FPU正在使用的位，以确保不保留之前的状态. */
" msr control, r0 \n"
" cpsie i \n"/* 开中断. */
" cpsie f \n"
" dsb \n"
" isb \n"
" svc 0 \n"/* 触发SVC异常. */
" nop \n"
" .ltorg \n"
);
}- 获取系统堆栈指针MSP
- 清除FPU正在使用的位
- 开中断
- 触发SVC异常
PendSV
源码
c
void xPortPendSVHandler( void )
{
/* This is a naked function. */
__asm volatile
(
" mrs r0, psp \n"/* 读取当前进程的栈指针（Process Stack Pointer），将其值存入寄存器 r0*/
" isb \n"/* 指令同步屏障*/
" \n"
" ldr r3, pxCurrentTCBConst \n"/* 将pxCurrentTCB的地址加载到寄存器 r3. */
" ldr r2, [r3] \n"/* 从r3指向的位置读取当前任务控制块（TCB）的地址并将其存储在r2中. */
" \n"
" tst r14, #0x10 \n"/* 测试链接寄存器 r14 的第 4 位，判断当前任务是否使用浮点单元（FPU）. */
" it eq \n"/* 如果第 4 位为 1（即使用 FPU 上下文），则执行接下来的语句*/
" vstmdbeq r0!, {s16-s31} \n"/* 如果使用 FPU 上下文，则将 FPU 的高寄存器（s16 到 s31）压入栈中*/
" \n"
" stmdb r0!, {r4-r11, r14} \n"/* 将寄存器 r4 到 r11 及 r14 压入栈中. */
" str r0, [r2] \n"/* 将新的栈顶指针值保存到 TCB 中. */
" \n"
" stmdb sp!, {r0, r3} \n"/* 将目前的栈指针和 TCB 地址压入主栈，以便恢复，这里入栈是 MSP*/
" mov r0, %0 \n"/* 将最大可用优先级（configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）加载到 r0 中*/
" cpsid i \n"/* 禁止中断. */
" msr basepri, r0 \n"/* 设置优先级屏蔽寄存器（Base Priority），关中断*/
" dsb \n"/* 数据同步屏障*/
" isb \n"/* 指令同步屏障*/
" cpsie i \n"/* 启用中断 */
" bl vTaskSwitchContext \n"/* 调用任务切换的上下文切换函数*/
" mov r0, #0 \n"
" msr basepri, r0 \n"/* 恢复 Base Priority 为 0，开中断*/
" ldmia sp!, {r0, r3} \n"/* 从主栈中恢复之前保存的 r0 和 r3*/
" \n"
" ldr r1, [r3] \n"/* 从r3指向的位置读取当前任务控制块（已经更新过了）的地址并将其存储在r1中. */
" ldr r0, [r1] \n"/* 从r1指向的位置读取数据，即当前任务控制块中的第一个元素，所以r0中保存的就是当前任务栈的栈顶地址*/
" \n"
" ldmia r0!, {r4-r11, r14} \n"/* 从栈中弹出保存的核心寄存器r4-r11 和 r14. */
" \n"
" tst r14, #0x10 \n"/* 再次判断是否使用 FPU 上下文. */
" it eq \n"/* 如果使用 FPU，上下文则执行下一条指令*/
" vldmiaeq r0!, {s16-s31} \n"/* 如果使用 FPU，则从栈中弹出高寄存器（s16 到 s31）*/
" \n"
" msr psp, r0 \n"/* 将恢复后的栈指针值写入PSP，以便切换到新的任务的栈中. */
" isb \n"/* 指令同步屏障*/
" \n"
#ifdef WORKAROUND_PMU_CM001 /* XMC4000特定勘误表解决方法. 这里不用管*/
#if WORKAROUND_PMU_CM001 == 1
" push { r14 } \n"
" pop { pc } \n"
#endif
#endif
" \n"
" bx r14 \n"/* 返回到调用该处理程序的位置*/
" \n"/* 将后面的数据对齐到 4 字节*/
" .align 4 \n"
"pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB \n"
::"i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY )
);
}在PendSV中干了两件事
一是保存当前任务的现场
- 获取当前任务控制块pxCurrentTCB的栈顶地址
- 将核心寄存器入栈（其他寄存器在进入中断之前已经自动入栈）
- 保存栈顶指针
二是恢复最新任务的现场
- 调用任务切换的上下文切换函数，然后pxCurrentTCBConst中指向的值就已经变成了新的TCB的地址，但是pxCurrentTCBConst本身的内存地址是不变得
- 获取最新任务控制块pxCurrentTCB的栈顶地址
- 将核心寄存器出栈（其他寄存器在退出中断之后会自动出栈）
- 将栈顶指针值写入PSP
这样就完成了上下文的切换， 在进入中断前后，堆栈指针的变化是：
- 进入中断前，使用PSP，PSP指向旧任务的栈顶
- 在中断中，使用MSP
- 退出中断后，使用PSP，PSP指向新任务的栈顶
任务切换函数vTaskSwitchContext →
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK →
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY
经过此函数后，pxCurrentTCBConst已经指向了新的TCB
触发方式
1 在Systick handle中触发
c
/* 上下文切换在 PendSV 中断 中执行
* 挂起 PendSV 中断. */
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;2 taskYIELD();
通过调用taskYIELD来触发
c
#define portYIELD() \
{ \
/* Set a PendSV to request a context switch. */ \
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \
\
/* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely \
* within the specified behaviour for the architecture. */ \
__asm volatile ( "dsb" ::: "memory" ); \
__asm volatile ( "isb" ); \
}相关汇编指令
- ldr：加载寄存器指令，用于从内存中加载数据到寄存器中。
- ldmia：加载多寄存器指令，可以一次性将多个内存单元的数据加载到多个寄存器中。
- msr：移动至特权寄存器的指令，用于设置某些特定的寄存器。
- isb：指令同步屏障，用于确保指令执行的顺序，确保之前的指令在接下来的指令执行之前完成
- dsb：数据同步屏障，该指令确保所有之前的读写操作在继续执行后续指令之前完成
- mov：数据传送指令，用于将一个常数值或寄存器的值移动到另一个寄存器。
- bx：分支和交换指令，用于跳转到r14寄存器中保存的地址。
- .align：伪指令，用于确保下一条指令或数据在指定的字节边界对齐。
- .word：伪指令，定义一个字（4字节）并将值存储到该位置。
- nop用于在代码中占用一个执行周期，但不进行任何操作，常常针对时序和代码结构进行调整
- .ltorg用于生成字面量池，为代码中使用的常量提供存储空间。通过将常量放置在易于访问的位置，它提高了程序的整体性能。
- 开关中断指令
CPSID I ;PRIMASK=1 ;关中断 （硬件错误异常 不关）
CPSIE I ;PRIMASK=0 ;开中断
CPSID F ;FAULTMASK=1 ;关异常（硬件错误异常 也关）
CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常
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