FreeRTOS任务调度

FreeRTOS任务调度的核心目标是确保就绪态中优先级最高的任务始终获得CPU执行权 。这一目标的实现，绝非简单的队列轮询，而是一个深度融合了软件调度逻辑与硬件底层机制（堆栈、中断、寄存器）的精密过程。其全貌可概括为两大阶段：系统的启动与第一个任务的运行，以及后续持续的任务切换与抢占。

1 双重堆栈与调度原则

1.1 双堆栈指针机制（MSP/PSP）

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主堆栈指针（MSP）：服务于内核和所有中断/异常。当中断发生时，CPU自动使用MSP来保存上下文、执行中断服务例程（ISR）。内核关键数据也存放在MSP指向的区域。

进程堆栈指针（PSP）：服务于每个用户任务。每个任务都有自己独立的栈空间，用于保存函数调用局部变量、任务挂起时的完整CPU现场（上下文）。任务在非中断的"线程模式"下运行时，使用PSP。

核心规则：中断（如SysTick, PendSV, SVC）必须使用MSP；普通任务代码使用PSP。这种隔离保证了内核的稳定性和任务间的独立性。

1.2 调度核心原则

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优先级抢占：一旦有更高优先级的任务进入就绪态，当前运行的任务应立即被抢占。

上下文即任务：任务的本质是其运行现场------所有CPU寄存器的值（包括PC程序计数器）。因此，任务切换的本质就是保存当前任务的寄存器集合（上下文）到其私有栈中，并将下一个任务的上下文从其私有栈恢复到CPU寄存器。

中断驱动：调度动作（启动、切换）由特定中断触发，以确保操作的原子性和对硬件的精确控制。

2 系统启动与第一个任务的诞生

这是从裸机到多任务的转折点，由**vTaskStartScheduler()**总领。

2.1 软件初始化

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创建空闲任务（Idle Task），它是一个最低优先级的后台任务，确保CPU永远有任务可执行。
若启用，创建定时器服务任务，用于处理软件定时器回调。
初始化全局变量和时基。

2.2 硬件适配与启动触发

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调用硬件层函数 xPortStartScheduler()。其核心工作包括：
    配置SysTick定时器：根据 configTICK_RATE_HZ 设置节拍中断，这是系统的心跳，周期性触发任务时间片检查。
    设置PendSV和SysTick中断为最低优先级：确保任务切换不会抢占其他紧急的中断处理。
    调用prvStartFirstTask()。

2.3 第一个任务的启动

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prvStartFirstTask()首先从向量表初始化MSP，因为即将发生的中断需要它。
然后，它触发一个SVC（系统服务调用）中断。SVC是一个特殊的异常，常用于从特权模式（如启动代码）请求系统服务。
SVC中断服务程序vPortSVCHandler()执行：
    通过pxCurrentTCB（一个始终指向当前运行任务的指针）找到创建好的、优先级最高的就绪任务（通常是您创建的第一个应用任务）。
    从该任务的任务控制块（TCB）中获取其栈顶指针。这个栈在任务创建时已被精心初始化，模拟了一个"保存好的现场"。
    执行关键的恢复现场操作：将该栈中预先存放的寄存器值（R4-R11, R14, 以及后续自动加载的R0-R3, R12, LR, PC, xPSR）弹出到CPU寄存器。
    将该栈顶地址赋值给PSP。
    通过一条BX R14指令（此时R14中是一个特殊的"异常返回值"）退出中断。CPU检测到这个返回值后，会自动切换回线程模式，并改用PSP作为堆栈指针，同时继续从栈中恢复剩余的寄存器。最后，当程序计数器（PC）被恢复时，CPU就跳转到了该任务的入口函数，第一个任务从此开始运行。

3 任务切换与抢占的引擎

系统运行后，调度就交给了SysTick和PendSV。

3.1 触发源

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周期触发（SysTick）：每个系统节拍，SysTick中断发生。在中断服务程序中，内核会检查：
    当前任务的时间片是否用完（对于同优先级轮转调度）。
    是否有更高优先级的任务因延时到期、信号量释放等事件而进入就绪态。
    如果需要切换，则触发一个PendSV中断。
    主动触发（API调用）：当任务调用vTaskDelay(),taskYIELD(), 或释放信号量/队列等可能导致更高优先级任务就绪的API时，内核也会触发PendSV中断。

3.2 上下文切换的执行者（PendSV中断）

PendSV被设为最低优先级，可以确保所有紧急中断处理完毕后，再执行切换，因此它被称为惰性保存中断。
PendSV中断服务程序xPortPendSVHandler()执行：
保存当前任务（任务A）的现场：

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1.  读取当前的PSP。
2.  将CPU寄存器R4-R11，以及R14（LR）的值，手动压入任务A的栈（使用PSP）。
3.  将更新后的栈顶指针保存回任务A的TCB -> pxTopOfStack。此刻，任务A的完整运行状态已被"冷冻"在自己的堆栈中。

选择下一个任务：

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调用vTaskSwitchContext()。此函数是调度策略的核心，它会扫描就绪任务链表，通过优化算法（如前导零指令）快速找到最高优先级的就绪任务，并更新全局指针pxCurrentTCB指向它（任务B）。

恢复下一个任务（任务B）的现场：

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1.  从任务B的TCB -> pxTopOfStack 中获取其栈顶指针。
2.  从该栈中手动弹出之前保存的R4-R11和R14值到CPU寄存器。
3.  将栈顶指针更新到 PSP。

**通过BX R14指令退出中断。**CPU同样会自动切换回线程模式，使用PSP，并恢复剩余寄存器（R0-R3, R12, LR, PC, xPSR）。当PC被恢复时，CPU就从任务B上次被挂起的地方继续执行，仿佛从未中断过。

4 总结

SysTick： 作为调度触发器，提供节拍，定期检查调度需求。
PendSV： 作为上下文搬运工，专职负责执行实际的寄存器保存与恢复，因其低优先级特性确保了切换的安全性。
SVC： 作为系统启动器，仅在启动第一个任务时使用，完成从内核模式到用户任务模式的权限和栈指针切换。
**MSP/PSP：**作为内存空间管理者，严格隔离内核与任务、任务与任务之间的运行环境。

启动： 启动函数 → (初始化) → SVC中断 → 恢复任务1现场 → 任务1运行。
**切换：**SysTick或API → (判断需切换) → 触发PendSV → 保存任务A现场 → 选择任务B → 恢复任务B现场 → 任务B运行。

**核心思想：**任务被切换出去时，其完整状态被冻结在自己的私有堆栈中；任务被切换进来时，其状态从堆栈中解冻，精准地恢复到CPU。通过pxCurrentTCB这个指针的指引和双堆栈指针的自动切换，FreeRTOS高效地管理着多个并发的执行流，实现了基于优先级的实时抢占式调度。