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FreeRTOS小记

news 2025/10/13 6:15:13

栈管理寄存器

MSP：主栈指针，特权模式专用（RTOS 内核、中断服务程序）

RTOS 的内核：代码运行在 “特权模式”，所有内核操作的上下文（如调度器计算任务优先级、修改任务控制块 TCB）都存储在主栈中。
中断服务程序（ISR）：无论当前运行的是用户任务（用 PSP）还是内核代码（用 MSP），一旦发生中断，Cortex-M 内核会自动切换到 MSP，用主栈存储中断上下文（如断点处的寄存器值、中断服务程序的局部变量）。（避免中断处理污染任务栈导致任务崩溃）
系统启动初始化：RTOS 启动前（如复位后），内核默认使用 MSP，主栈会先完成 “内核初始化”（如初始化 TCB 链表、堆内存、中断向量表），之后才创建第一个用户任务并切换到 PSP。

PSP：进程栈指针，用户模式专用：RTOS 用户任务的 “独立栈”

RTOS 用户任务运行：每个用户任务创建时，RTOS 会为其分配独立的进程栈空间（大小由用户在创建任务时指定），PSP 则指向 “当前正在运行的用户任务的栈顶”
用户任务的上下文存储：用户任务中的函数调用、局部变量、任务级数据，均存储在该任务的进程栈中，与其他任务的栈完全独立。
生命周期与任务一致
权限受限：用户模式下使用 PSP 时，无法直接访问内核的特权资源（如内核私有寄存器、主栈数据），需通过 “系统调用（SVC 指令）” 切换到特权模式才能访问，提升系统安全性。

ARM Cortex-M寄存器组:

Cortex-M内存架构包含16个通用寄存器，其中R0-R12是13个32位的通用寄存器，另外三个寄存器是特殊用途，分别是R13（SP栈指针）,R14（LR链接寄存器:保存函数或者子程序调用返回的地址）,R15（PC程序计数器:下一个执行指令的地址）

任务调度

任务调度实现依赖任务状态管理、调度策略、上下文切换三大核心机制

任务控制块

每个任务都有自己的任务控制块TCB

typedef struct tskTaskControlBlock {StackType_t *pxTopOfStack;  // 任务栈顶指针（PSP值，关键！）ListItem_t xStateListItem;  // 用于将任务挂载到“状态列表”（就绪/阻塞等）UBaseType_t uxPriority;     // 任务优先级（0~ configMAX_PRIORITIES-1）StackType_t *pxStack;       // 任务栈基地址（栈空间起始位置）eTaskState eCurrentState;   // 任务当前状态（就绪/运行/阻塞/挂起）TickType_t xTicksToDelay;   // 阻塞延迟的时钟节拍数（用于延时唤醒）// 其他字段：任务名称、事件标志、内存管理块等
} tskTCB;

pxTopOfStack：最关键的字段，存储任务的栈指针（PSP 值）。任务切换时，调度器通过保存 / 加载该值，实现任务上下文的切换（见下文 “上下文切换”）。
xStateListItem：通过链表节点，将任务挂载到不同 “状态列表”（如就绪列表、阻塞列表），调度器通过遍历这些列表选择下一个运行的任务。
eCurrentState：标记任务状态（就绪：可被调度；运行：正在占用 CPU；阻塞：等待事件 / 延时；挂起：被强制暂停），调度器只从 “就绪列表” 中选择任务。

调度策略

抢占式调度（任务优先级）：高优先级抢占低优先级
时间片轮转：同优先级任务按 “时间片” 轮流运行（每个任务运行固定时间后切换）
合作式调度：任务主动调用 “阻塞函数”（如vTaskDelay()）才会释放 CPU，否则一直运行

当调度器决定切换任务时，需要完成上下文切换（保存当前任务的上下文；加载新任务的上下文）

保存当前任务（被切换出的任务）的上下文：将 CPU 寄存器（R0-R15、PSR 等）、栈指针（PSP）等数据存入该任务的 TCB（pxTopOfStack指向的栈空间）。
加载新任务（被切换入的任务）的上下文：从新任务的 TCB 中读取之前保存的寄存器和 PSP 值，恢复到 CPU 中，让新任务从上次暂停的位置继续运行。

Cortex-M 内核通过PendSV（可悬起系统调用）异常实现上下文切换，原因是：PendSV 的优先级可配置为最低，确保在其他中断处理完成后再执行切换，避免打断紧急操作。

触发 PendSV 异常
进入 PendSV 异常服务程序（ISR）：CPU 自动进入特权模式，切换到 MSP（主栈），开始执行 PendSV 的处理函数。
保存当前任务的上下文：
- 手动将 CPU 寄存器（R4-R11，因为 R0-R3 等已被硬件自动入栈）压入当前任务的栈（PSP 指向的栈空间）。
- 将当前 PSP 值更新到当前任务的 TCB。
查找下一个要运行的任务：调度器从就绪列表中找到最高优先级的就绪任务，获取其 TCB。
加载新任务的上下文：
- 从TCB中读取 PSP 值，更新到 PSP 寄存器。
- 从新任务的栈中弹出之前保存的 R4-R11 寄存器值，恢复到 CPU 中。
退出 PendSV 异常：CPU 自动从新任务的栈中恢复 R0-R3、LR、PC 等寄存器，切换到用户模式，新任务开始运行。

关键：栈指针（PSP）的作用

每个任务的栈（由 PSP 指向）是 “上下文仓库”，保存了任务暂停时的所有寄存器状态和运行位置（PC 值）。
上下文切换的本质是 “PSP 的切换”：从当前任务的 PSP 切换到新任务的 PSP，让 CPU 认为 “新任务一直在运行”。

调度器不会 “一直运行”，而是在特定时机被触发，主要包括：

定时中断（系统滴答定时器，SysTick）：
- RTOS 的 “心跳”（如每 1ms 触发一次），用于任务延时管理（vTaskDelay()）和时间片轮转。
- 中断中会检查 “是否有任务延时到期” 或 “时间片用完”，若需要切换则触发调度。
任务主动放弃 CPU(调用vTaskDelay()、xSemaphoreTake())
高优先级任务就绪
任务优先级动态变化

RTOS的启动流程

单片机上电之后，内核复位，获取MSP的值（获取PC值）；复位中断函数；启动文件：初始化MSP，初始化PC(栈顶指针)，设置堆栈大小；初始化中断向量表，调用_main函数；main函数种先执行相应的硬件初始化然后调用OS初始化函数进行rtos系统初始化；接着创建开始任务，完成后，调用多任务调度函数，启动多任务函数，开始运行（优先级/时间片）进行

为什么要用RTOS

RTOS是为了管理多任务执行，提高系统的实时性和稳定性；相较于裸机开发，RTOS的核心在于CPU资源的调度，把任务拆解多个独立模块，看起来并发运行；当某一个任务卡住时整个系统不至瘫痪。

互斥量优先级翻转优先级继承

优先级翻转

高优先级任务H和低优先级任务L通过信号量机制，共享资源。目前低优先级任务L占有资源，锁定了信号量，高优先级任务 H运行后将被阻塞，直到低优先级任务 L释放信号量后，Task H才能够退出阻塞状态继续运行。但是高优先级任务 H在等待低优先级 L释放信号量的过程中，中等优先级任务M抢占了低优先级任务L，从而延迟了信号量的释放时间，导致高优先级 H阻塞了更长时间，这种现象称为优先级倒置或优先级反转（翻转）。