FreeRTOS 学习笔记（持续更新）

窄路徐行2025-07-06 22:46

抢占式调度：

  1. 高优先级的可以优先运行，即使以及有低优先级的在运行，会先停止低的再运行高的（优先级按数字大小分大小）
  2. 高优先级任务不停止，低优先级的任务无法运行
  3. 被抢占的任务会进入就绪态

时间片调度：

  1. 同等优先级任务轮流享有相同的CPU占用时间（可设置），叫时间片，在Free RTOS中一个时间片等于SysTick（系统/滴答定时器）中断周期
  2. 没有用完的时间直接丢掉，不会补偿，永远都是一个时间片

**任务状态：**运行态，就绪态，阻塞态，挂起态（类似暂停，调用vTaskSuspend()进入挂起态，调用vTaskResume()解除挂起态进入就绪态）

仅就绪态可以直接进入运行态

任务创建与删除：

  1. 使用xTaskCreate() 动态方法创建任务
  2. 使用xTaskCreateStatic() 多了一个Static（静态）表示静态方法创建任务
  3. 使用vTaskDelete() 删除任务
  4. 动态静态区别在分配内存的方法不同，静态由用户自己分配，动态由Free RTOS自己分配，在它管理的堆中

任务控制块也就是TCB，可以看作是任务的身份证，用于辨识任务。

​创建任务具体流程：

一：内存准备​

  1. 申请任务堆栈内存（获取首地址）
  2. 申请任务控制块TCB内存（获取首地址）
  3. 将堆栈地址绑定到TCB的栈成员

二：TCB初始化​

  1. 调用 prvInitialiseNewTask()

1 初始化堆栈（可选填0xA5）

2 记录栈顶地址 → pxTopOfStack

3 保存任务名称 → pcTaskName[]

4 保存任务优先级 → uxPriority

5 绑定状态列表项/事件列表项与TCB关系

​三：加入就绪列表 ​

  1. 调用 prvAddNewTaskToReadyList()

1 全局操作​：

    • 任务计数器 uxCurrentNumberOfTasks++
    • 若是首个任务 → 初始化任务列表

​ 2 非首任务时​：

    • 若调度器未启动：比较新任务与当前任务优先级，更高则切换当前TCB指向
    • 优先级位图操作：将 uxTopReadyPriority 对应优先级位置1（标记就绪）
    • 按优先级升序插入就绪列表末尾（值越小优先级越高）

​ 3 栈与句柄初始化​：

    • 调用 pxPortInitialiseStack 初始化寄存器上下文空间
    • 任务句柄指向TCB地址

​四：动态响应​

触发任务切换条件​：

若调度器已运行 ​且​ 新任务优先级 > 当前任务 → 立即执行任务切换

​删除任务具体流程:​​

​一：任务定位​

  1. ​ 获取目标TCB
    • 通过任务句柄判断删除对象：
      • NULL → 删除当前任务（自身）
      • 有效句柄 → 删除指定任务

​二：解除任务关联​

  1. ​ 移除任务所有关联列表
    • 将任务从所属队列中移除，包括：
      • 就绪列表（Ready List）
      • 阻塞列表（Blocked List）
      • 挂起列表（Suspended List）
      • 事件等待列表（Event List）

​三：删除类型分流​

  1. ​ 根据删除类型执行操作
    • 情况A：删除自身任务
      1. 将当前任务加入 等待删除列表
      2. 内存释放委托：由空闲任务（Idle Task）后续执行 prvDeleteTCB() 释放TCB及栈内存
    • 情况B：删除其他任务
      1. 立即调用 prvDeleteTCB() 直接释放内存
      2. 全局更新：
        ○ 任务计数器减一（uxCurrentNumberOfTasks--）
        ○ 阻塞超时校准：检查被删任务是否为下一个待唤醒的阻塞任务 → 更新超时计时器

​四：调度响应​

  1. ​ 强制切换条件：
    • 若 调度器正在运行 且 删除的是自身任务 → 立即触发一次任务切换（上下文切换）

R11-R4寄存器实际是内存，就是存放任务的具体内容，任务要运行就是把任务函数地址赋值给PC寄存器，M4，M7的EXC_RETURN的bit4可以修改，1表示不支持浮点数，0表示支持

每个优先级前有一位，用来判断是不是有任务，有就置1，方便后续任务切换

挂起与恢复

挂起：类似暂停，可以恢复

FromISP后缀：中断中专用，Free RTOS管理的中断优先级为5-15，要注意中断时调用Free RTOS的API函数要保证中断优先级不高于它管理的最高优先级（数字低为高）

建议把所有优先级位指定为抢占优先级位，方便FreeRTOS管理

​任务挂起函数流程:​​

​一：任务定位​

  1. 获取目标TCB
    • 任务句柄为 NULL → 挂起当前任务（自身）

​二：解除任务关联​

  1. 移除任务所有状态列表
    • 从以下列表中移除任务：
      • 就绪列表（Ready List）
      • 阻塞列表（Blocked List）
      • 事件列表（Event List）
  2. 加入挂起列表
    • 将任务插入 挂起列表（Suspended List）​ 末尾

​三：调度环境判断​

  1. 调度器运行中操作
    • 更新下一次阻塞时间（防止被挂起任务阻塞后续任务唤醒）
    • 若挂起自身 → 立即触发任务切换
  2. 调度器未运行操作
    • 检查挂起任务数：
      • 挂起数 = 总任务数 → 当前控制块置 NULL
      • 否则 → 激活下一个最高优先级任务

​任务恢复函数流程:​​

​一：恢复条件校验​

  1. 宏 INCLUDE_vTaskSuspend 必须配置为 1
  2. 禁止恢复运行中的任务

​二：恢复操作​

  1. 检查任务状态
    • 任务在挂起列表中 → 移出挂起列表
  2. 加入就绪列表
    • 将任务按优先级插入就绪列表末尾
  3. 触发切换判断
    • 恢复任务优先级 > 当前任务 → 触发任务切换

​中断恢复函数流程:​​

​一：中断安全操作​

  1. 关闭FreeRTOS管理的中断
    • 保存 BASEPRI 寄存器原值
    • 防止被其他中断打断

​二：恢复操作判断​

  1. 调度器状态检查
    • 调度器未挂起 ：
      • 若任务在挂起列表 → 移出并加入就绪列表
      • 恢复任务优先级 > 当前任务 → 标记 xYieldRequired = pdTRUE
    • 调度器已挂起 ：
      • 将任务插入 等待就绪列表（延后处理）

​三：环境还原与返回​

  1. 恢复中断状态
    • 还原 BASEPRI 寄存器值
  2. 返回切换标记
    • 输出 xYieldRequired 供中断退出时判断是否切换任务

​一：系统中断优先级配置寄存器​

​寄存器组​：SHPR1、SHPR2、SHPR3

  1. 关键操作 ：
    • 通过 SHPR3 配置 PendSV 和 SysTick 中断优先级
    • 设定原则 ：将其设为最低优先级
  2. 设计目的 ：
    • 确保系统任务切换（PendSV）和心跳调度（SysTick）
    • 不阻塞其他高优先级中断的实时响应

​二：中断屏蔽寄存器组​

寄存器 功能描述
​PRIMASK​ 屏蔽所有可配置优先级的中断
​FAULTMASK 屏蔽除NMI外的所有异常和中断
​BASEPRI​ ​核心寄存器​：屏蔽优先级低于设定阈值的中断

​BASEPRI 工作机制​

  1. 阈值控制逻辑 ：
    • 写入值 0xN0（N为十六进制优先级阈值）
    • 示例 ：设定 BASEPRI = 0x50 时：
      • 屏蔽范围：优先级值 5~15（值越大优先级越低）
  2. FreeRTOS依赖 ：
    • 中断管理基石 ：通过动态调节BASEPRI实现：
      • 临界区保护
      • 中断嵌套控制

​三：技术实质说明​

  1. 优先级数值规则 ：
    • 数值越小优先级越高（0为最高）
    • SHPR3设置最低优先级即赋予最大数值
  2. 安全隔离设计 ：
    • PendSV/SysTick 低优先级 → 避免抢占关键外设中断
    • BASEPRI 阈值屏蔽 → 保障高实时性中断响应
  3. FreeRTOS应用 ：
    • portDISABLE_INTERRUPTS() 本质是设置BASEPRI阈值
    • taskENTER_CRITICAL() 依赖此寄存器构建临界区

FreeRTOS中的列表实质上就是一个双向的环状链表，首尾相连，可以随意添加或删除列表项，有一个变量记录列表项数目，用于遍历，每个列表项有编号用于排序，初始化有一个末尾列表项，，它不计入列表数，编号最大。

两个校验值就是存放确定已知的常量，通过检查它是否变化来判断数据是否受到破坏，一般用于调试。

下面为迷你列表项，它也是列表项，但仅用于标记列表的末尾和挂载其他插入列表中的列 表项，用户是用不到迷你列表项的

  1. vListInitialise()初始化列表就是把列表末尾项编号赋为最大，首尾指向它自己，再初始化两个校验值，传入参数为要初始化的列表。
  2. vListInitialiseItem()初始化列表项就是把它所属列表项赋值为NULL，同样初始化两个校验值，传入参数为要初始化的列表项。
  3. vListInsertEnd()列表项末尾插入列表项是一种无序的排列，是把它插入到列表 pxIndex 指向列表项的前面，不管它的编号大小，传入参数为列表和要插入的列表项。
  4. vListInsert()列表插入列表项是一种有序排列，会根据编号来寻找合适的位置插入（如果最大就插入到末尾项前面，否则就遍历找位置）传入参数同上。
  5. uxListRemove()列表移除列表项就是跟链表删除一样，传入要删除的列表项，返回值为删除后剩余列表项数目

​FreeRTOS任务切换出栈流程详解（严格遵循您提供的寄存器架构图）

任务切换出栈流程如下：首先通过三重指针（TCBTop->R3->R1->R0）获取TCB栈顶地址，这时R0指向R4也就是手动恢复起始点，就开始进行手动出栈，把栈内R4-R11寄存器储存的数据出栈到CPU的R4-R11寄存器，也就是用ldmia r0!, {r4-r11}把数据弹出到CPU，每弹出一个R0地址增加4字节，完成后R0指向xPSR寄存器，然后把R0的地址加载到PSP任务进程指针，这时PSP指向硬件自动恢复区起始点xPSR，就触发硬件自动恢复，最后再把R0清零，把R0的值赋值给basepri开启中断。

栈位置 寄存器 类型 作用说明
​栈顶​ (低地址) ​R4​ 通用寄存器 任务内部变量（手动恢复区起始）
↑ ​R5​ 通用寄存器 任务内部变量
↑ ​R6​ 通用寄存器 任务内部变量
↑ ​R7​ 通用寄存器 任务内部变量
↑ ​R8​ 通用寄存器 任务内部变量
↑ ​R9​ 通用寄存器 任务内部变量
↑ ​R10​ 通用寄存器 任务内部变量
↑ ​R11​ 通用寄存器 任务内部变量（手动恢复区结束）
-------- ---------- ---------------------------
↑ ​xPSR​ 特殊功能寄存器 ​程序状态寄存器​ • 恢复任务运行状态 • 包含Thumb模式标志(bit0=1) • 中断号等关键状态信息
↑ ​R15(PC)​​ 特殊功能寄存器 ​程序计数器​ • 核心跳转控制 • 恢复时立即执行任务入口函数 • 实现执行流无缝切换
↑ ​R14(LR)​​ 特殊功能寄存器 ​链接寄存器​ • 存储0xFFFFFFFD值 • 指示使用PSP恢复上下文 • 引导硬件自动恢复流程
↑ ​R12​ 通用寄存器 临时寄存器（自动恢复）
↑ ​R3​ 通用寄存器 通用寄存器（自动恢复）
↑ ​R2​ 通用寄存器 通用寄存器（自动恢复）
↑ ​R1​ 通用寄存器 通用寄存器（自动恢复）
​栈底​ (高地址) ​R0​ 通用寄存器 ​任务参数寄存器​ • 存储pvParameters任务参数 • 作为任务函数第一个参数

关键寄存器协同机制表

寄存器 作用 恢复方式 协同机制说明
​R13(PSP)​​ ​任务栈指针​ 软件设置 • 通过MSR PSP, R0设置 • 定位硬件恢复起始位置 • 任务运行时动态维护栈顶
​R14(LR)​​ ​上下文恢复控制器​ 软件设置 • 存储0xFFFFFFFD魔数 • 触发时指示硬件使用PSP恢复 • 控制处理器返回线程模式
​R15(PC)​​ ​执行流切换器​ 硬件自动恢复 • 恢复时立即跳转至任务代码 • 实现任务无缝切换 • 决定程序执行位置
​xPSR​ ​状态同步器​ 硬件自动恢复 • 恢复中断前的程序状态 • 保证Thumb模式正常运行(bit0=1) • 维持中断/异常状态一致性

• ​压栈操作​：地址递减（栈顶向低地址移动）

• ​出栈操作​：地址递增（栈顶向高地址移动）

• ​切换流程​：手动恢复(R4-R11)后，指针↑移动到xPSR，触发硬件自动↑恢复关键寄存器

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