STM32F1+HAL库+FreeTOTS学习8——第一个任务，启动！

上一期我们学习了列表和列表项的相关内容和API函数实验，接下来我们来学习FreeRTOS是如何启动第一个任务开启任务调度的，以及期间发生了什么

开启任务调度器

1. 函数 vTaskStartScheduler()

void freertos_demo(void)
{taskENTER_CRITICAL();           /* 进入临界区，关闭中断，此时停止任务调度*//* 创建任务1 */xTaskCreate((TaskFunction_t )task1,(const char*    )"task1",(uint16_t       )TASK1_STK_SIZE,(void*          )NULL,(UBaseType_t    )TASK1_PRIO,(TaskHandle_t*  )&Task1Task_Handler);/* 创建任务2 */xTaskCreate((TaskFunction_t )task2,(const char*    )"task2",(uint16_t       )TASK2_STK_SIZE,(void*          )NULL,(UBaseType_t    )TASK2_PRIO,(TaskHandle_t*  )&Task2Task_Handler);taskEXIT_CRITICAL();            /* 退出临界区，重新开启中断，开启任务调度 *//*这里是开启任务调度*/vTaskStartScheduler();		//开启任务调度
}

在前面，我们已经使用过函数 vTaskStartScheduler()，作用就是开启FreeRTOS的任务调度，下面我们来具体的看一下内部实现：

/*开启任务调度器函数*/
void vTaskStartScheduler( void )
{BaseType_t xReturn;// 1. 创建空闲函数/* 如果使用的是静态内存管理，则使用静态的方式创建空闲函数 */#if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ){StaticTask_t * pxIdleTaskTCBBuffer = NULL;StackType_t * pxIdleTaskStackBuffer = NULL;uint32_t ulIdleTaskStackSize;/* 空闲任务的创建是使用用户提供的RAM，获取到相应的地址后才会进行创建。*/vApplicationGetIdleTaskMemory( &pxIdleTaskTCBBuffer, &pxIdleTaskStackBuffer, &ulIdleTaskStackSize );xIdleTaskHandle = xTaskCreateStatic( prvIdleTask,configIDLE_TASK_NAME,ulIdleTaskStackSize,( void * ) NULL,       /*强制类型转换对于所有编译器都是多余的. */portPRIVILEGE_BIT,     /* 实际上这里应该是是 ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ), 但是 tskIDLE_PRIORITY 为0. */pxIdleTaskStackBuffer,pxIdleTaskTCBBuffer ); /*lint !e961 MISRA exception, justified as it is not a redundant explicit cast to all supported compilers. *//*创建成功*/if( xIdleTaskHandle != NULL ){xReturn = pdPASS;}/*创建不成功*/else{xReturn = pdFAIL;}}/* 否则使用动态的方式，创建空闲函数 */#else /* if ( configSUPPORT_STATIC_ALLOCATION == 1 ) */{/* 空闲函数动态分配RAM空间. */xReturn = xTaskCreate( prvIdleTask,configIDLE_TASK_NAME,configMINIMAL_STACK_SIZE,( void * ) NULL,portPRIVILEGE_BIT,  /* In effect ( tskIDLE_PRIORITY | portPRIVILEGE_BIT ), but tskIDLE_PRIORITY is zero. */&xIdleTaskHandle ); /*lint !e961 MISRA exception, justified as it is not a redundant explicit cast to all supported compilers. */}#endif /* 结束空闲任务创建*/// 2. 创建软件定时器任务 /*如果使能软件定时器，则需要创建定时器服务任务*/#if ( configUSE_TIMERS == 1 ){if( xReturn == pdPASS ){	/*函数内部会完成定时器服务任务的创建，创建方式参照空闲任务*/xReturn = xTimerCreateTimerTask();}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endif /* 结束软件定时器配置*/if( xReturn == pdPASS ){/* 此函数用于添加一些附加初始化，不用理会*/#ifdef FREERTOS_TASKS_C_ADDITIONS_INIT{freertos_tasks_c_additions_init();}#endif// 3、关闭中断，防止调度器开启之前或过程中，受中断干扰，会在运行第一个任务时打开中断portDISABLE_INTERRUPTS();/* Newlib 相关的一些东西，这里我也看不懂 */#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 ){/* Switch Newlib's _impure_ptr variable to point to the _reent* structure specific to the task that will run first.* See the third party link http://www.nadler.com/embedded/newlibAndFreeRTOS.html* for additional information. */_impure_ptr = &( pxCurrentTCB->xNewLib_reent );}#endif /* configUSE_NEWLIB_REENTRANT */// 4. 初始化一些全局变量xNextTaskUnblockTime = portMAX_DELAY; 					// 下一个距离取消任务阻塞的时间，设置为最大，因为此时还没有运行任务// 避免阻塞超时导致任务切换xSchedulerRunning = pdTRUE;				//设置任务调度标志为开启xTickCount = ( TickType_t ) configINITIAL_TICK_COUNT;	//系统节拍计数器，初始化为0// 5. 为任务运行时间统计功能初始化功能时基定时器，是否使用该功能可在 FreeRTOSConfig.h 文件中进行配置portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();/* 调试使用 */traceTASK_SWITCHED_IN();/* xPortStartScheduler() 设置用于系统时钟节拍的硬件定时器（SysTick） 会在这个函数中进入第一个任务，并开始任务调度* 任务调度开启后，便不会再返回 */if( xPortStartScheduler() != pdFALSE ){/* 代码不会运行到这里 */}else{/* 当调用关闭任务调度器函数 xTaskEndScheduler()时会运行到这里. */}}else{/*动态方式创建空闲任务和定时器服务任务时，堆栈空间不足，会导致无法创建，进入这里 */configASSERT( xReturn != errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY );}/* 防止编译器警告，不用管*/( void ) xIdleTaskHandle;/* 调试使用，不用管*/( void ) uxTopUsedPriority;
}

上述代码来自FreeRTOS官方提供源码，为了跟方便看懂，去除了大部分的英文注释，该为中文注释，更适合中国宝宝体质！！！

结合上述的注释，我们可以大概明白 vTaskStartScheduler() 完成了如下内容：

1. 创建空闲任务
2. 创建软件定时器任务
3. 关闭中断（确切的说是关闭FreeRTOS能够控制的中断），防止调度器开启之前或过程中，受中断干扰，会在运行第一个任务时打开中断
4. 初始化全局变量，并将任务调度器的运行标志设置为已运行
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. 最后就是调用函数 xPortStartScheduler()，由于里面的内容比较多，所以我们下面再起一部分讲解。

需要注意以下几点：

1. 如果使用的是静态创建任务的方式，则空闲任务和定时器任务需要用户自行定义任务堆栈和TCB（任务控制块）
2. 软件定时器人的优先级为31（最高），空闲任务的优先级为0（最低）

2. 函数xPortStartScheduler()

函数 xPortStartScheduler()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，具体的代码如下所示：

BaseType_t xPortStartScheduler( void )
{/*1. 检测用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中对中断相关部分的配置是否有误*/#if ( configASSERT_DEFINED == 1 ){volatile uint32_t ulOriginalPriority;volatile uint8_t * const pucFirstUserPriorityRegister = ( uint8_t * ) ( portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16 + portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER );volatile uint8_t ucMaxPriorityValue;/* 确定可以从哪个最高优先级调用ISR安全的FreeRTOS API函数 ISR安全函数是以“FromISR”结尾的函数。FreeRTOS维护了单独的线程和ISR API函数，以确保中断进入尽可能快速和简单。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数。首先写入所有可能的位。. */*pucFirstUserPriorityRegister = portMAX_8_BIT_VALUE;/* Read the value back to see how many bits stuck. */ucMaxPriorityValue = *pucFirstUserPriorityRegister;/* The kernel interrupt priority should be set to the lowest* priority. */configASSERT( ucMaxPriorityValue == ( configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY & ucMaxPriorityValue ) );/* Use the same mask on the maximum system call priority. */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;}#ifdef __NVIC_PRIO_BITS{/* Check the CMSIS configuration that defines the number of* priority bits matches the number of priority bits actually queried* from the hardware. */configASSERT( ( portMAX_PRIGROUP_BITS - ulMaxPRIGROUPValue ) == __NVIC_PRIO_BITS );}#endif#ifdef configPRIO_BITS{/* Check the FreeRTOS configuration that defines the number of* priority bits matches the number of priority bits actually queried* from the hardware. */configASSERT( ( portMAX_PRIGROUP_BITS - ulMaxPRIGROUPValue ) == configPRIO_BITS );}#endif/* 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 /* configASSERT_DEFINED *//* 2. 设置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级  */portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;/* 3. 开启并配置SYSTick，设置系统节拍、时钟源、然后开启SysTick和中断 */vPortSetupTimerInterrupt();/* 4. 初始化临界区嵌套计数器为 0 */uxCriticalNesting = 0;/* 5. 开启FPU，但是在Crotex_M3的内核里面，没有FPU，所以这里没有相关代码*//* 6. 开启第一个任务：第一个任务，启动！ */prvStartFirstTask();/* Should not get here! */return 0;
}

上述代码来自FreeRTOS官方提供源码，为了跟方便看懂，去除了大部分的英文注释，该为中文注释，更适合中国宝宝体质！！！

结合上述的注释，我们可以大概明白 xPortStartScheduler() 完成了如下内容：

1. 在启用断言的情况下，函数 xPortStartScheduler()会检测用户在 FreeRTOSConfig.h 文件中对中断的相关配置是否有误
2. 配置 PendSV 和 SysTick 的中断优先级为最低优先级
3. 调用函数 vPortSetupTimerInterrupt()配置 SysTick，函数 vPortSetupTimerInterrupt()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。
4. 初始化临界区嵌套计数器，将其置为0
5. 调用函数 prvEnableVFP()使能 FPU，因为 ARM Cortex-M3 内核 MCU 无 FPU，此函数仅在 ARM Cortex-M4/M7 内核 MCU 平台上被调用，执行改函数后 FPU 被开启。（这里因为我们使用的是STM32F1系列，使用的Crotex_M3内核，所以没有FPU）
6. 调用prvStartFirstTask() 函数，第一个任务启动！

启动第一个任务

1. 函数 prvStartFirstTask()

prvStartFirstTask() 函数的调用，标志着我们正式迈步FreeRTOS的领域，该函数用于初始化启动第一个任务的环境：重新设置MSP指针和使能全局中断，最后使用SVC指令，触发SVC中断。

我们来看一下是如何实现的：

__asm void prvStartFirstTask( void )
{/* 8 字节对齐 */PRESERVE8ldr 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 *//* 初始化 MSP */msr msp, r0/* 使能全局中断 */cpsie icpsie fdsbisb/* 调用 SVC 启动第一个任务 */svc 0nopnop
}

咋一看，这一段代码有点让人看不懂，因为是汇编，但是请你放心，它一点都不简单，我们这里先来补充几个重要的知识：

1. 0xE000ED08 是什么东西？

事实上，0xE000ED08 是向量表偏移量寄存器的地址，“ ldr r0, =0xE000ED08 ” 这一步的目的就是将向量表偏移量寄存器的地址读取到" r0 "寄存器，紧接着 “ ldr r0, [ r0 ] ” 则是获取向量表偏移量寄存器中所指向的内容，也就是我们的中断向量表，但是我们知道，中断向量表，里面存放着各个中断服务函数的地址，“ ldr r0, [ r0 ] ” 就是获取第一个中断服务函数的地址 ，查阅start_stm32xxxxxx.s文件，就可以知道，这里的目的就是获取MSP指针的初始值。

2. MSP指针是干嘛的？

Cortex‐M3 处理器拥有 R0‐R15 的寄存器组。其中 R13 作为堆栈指针 SP。SP 有两个，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。

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。对应任务的当有信息保存到栈中时，MCU 会自动更新 SP 指针，ARM Cortex-M 内核提供了两个栈空间，

• 主堆栈指针（MSP）：复位后默认使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异常处理例程（包
  括中断服务例程）
• 进程堆栈指针（PSP）：由用户的应用程序代码使用。

看到这里，相信你就一目了然了，复位后默认使用的是MSP指针，所以我们先需要查找中断向量表获取MSP指针初始值，将其赋值给msp寄存器，让MSP指针回到原点，紧接着，开启全局中断，进入SVC服务函数，由操作系统进行接管。

我们来总结一下prvStartFirstTask() 里面到底干了什么：

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. 了获得 MSP 指针的初始值
3. 对MSP指针进行初始化，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. 使能全局中断，因为之前关闭了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。

2. 函数 vPortSVCHandler()

__asm void vPortSVCHandler( void )
{/* 8 字节对齐 */PRESERVE8/* 获取任务栈地址 */ldr r3, = pxCurrentTCB /* r3 指向优先级最高的就绪态任务的任务控制块 */ldr r1, [ r3 ] /* r1 为任务控制块地址 */ldr r0, [ r1 ] /* r0 为任务控制块的第一个元素（栈顶） *//* 模拟出栈，并设置 PSP */ldmia r0 !, { r4 - r11 } /* 任务栈r0地址从低到高，将r0存储地址里面的内容手动加载到 CPU寄存器r4到r11 */msr psp, r0 /* 设置 PSP 为任务栈指针 */isb/* 使能所有中断 */mov r0, # 0msr basepri,/* 使用 PSP 指针，并跳转到任务函数 */orr r14, # 0xdbx r14
}

同样的我们来分析一些，这个函数里做了什么：

1. 同样进行了字节对齐，因为这里是汇编的世界！
2. 获取任务栈的地址：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，之前我们创建了两个任务，一个空闲任务，优先级为0，一个软件定时器服务函数，优先级为31（这部没有包含用户自己创建的任务）， 这里pxCurrentTCB 是软件定时器任务的任务控制块。那么对应的就是获取软件定时器任务的栈顶地址
3. 将软件定时器任务栈的内容出栈到CPU寄存器组内，如何设置PSP指针。
4. 使能所有中断
5. 对CPU寄存器里面的r14（连接寄存器）或上0x0d ，使得r14的值为 0xFFFFFFFD

R14 是链接寄存器 LR，在 ISR 中（此刻我们在 SVC 的 ISR 中），它记录了异常返回值 EXC_RETURN，而EXC_RETURN 只有 6 个合法的值（M4、M7），如下表所示：

经过以上步骤，最终进入线程模式，使用PSP指针，开始运行第一个任务，软件定时器任务,至此第一个任务正式启动！！！