FreeRTOS学习笔记【10】-----任务上下文切换

news2025/4/26 10:36:23

1 概念性内容

开机到调度需要经历的步骤有：

系统初始化
任务创建
启动调度器
上下文切换
时间分片
任务执行

1.1 任务本质

FreeRTOS 的任务（Task）本质上就是一个运行在任务自己的栈区中无限循环的函数 + 一段上下文（context）数据。
一个任务有四种状态：就绪态、挂起态、运行态、阻塞态

就绪态：任务已准备好运行，处于就绪列表中，按优先级排序
运行态：当前cpu正在执行该任务。
阻塞态：因某些原因不能继续执行，被放入阻塞列表（延时会放入延时列表），阻塞消除会重新回到就绪列表。
挂起态：手动调用api挂起，必须再调用resume才能恢复执行。
终止态：不在调度器控制内。

1.2 什么是上下文

上下文其实就是线程的状态

线程状态包括：

类别	保存内容
CPU寄存器	R0~R12, LR, PC, xPSR
高级寄存器	R4~R11（手动保存）
栈指针	PSP（Process Stack Pointer）
状态寄存器	xPSR
任务控制块	保存任务的栈顶指针（SP）和其他调度信息

对寄存器不熟悉的同学可以参考：
ARM架构中的寄存器内容

不同信息的保存实现：

类型	内容	描述
自动保存寄存器	R0 ~ R3, R12, LR, PC, xPSR	由硬件在异常（中断）进入时自动压栈
手动保存寄存器	R4~R11	由 FreeRTOS 的上下文切换汇编代码手动压栈
特殊寄存器	SP、 LR、 PSP/MSP	栈指针、返回地址，决定任务能否正确返回

FreeRTOS 会将这些上下文信息保存在任务的栈中，并把 栈顶指针（即当前任务运行到哪）记录在任务的 TCB 中。

当再次切回这个任务时，就从它保存的栈中把这些寄存器恢复回来，任务就能从中断前的状态“无感恢复”。

2 代码

2.1 关键代码

（1）SVC_Handler
用途： SVC 异常通常用于实现系统调用，允许用户在特权级别（Supervisor）执行一些特殊的操作，例如请求操作系统服务。在启动调度时候会执行。
一般的，SVC_Handler主要用于启动第一个任务以及初始化系统的运行环境。在 FreeRTOS 启动过程中，prvStartFirstTask() 函数会被调用，该函数最终通过 SVC 请求来跳转至初始任务的执行路径。

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
    PRESERVE8               // 保留R4-R11和LR寄存器,确保不会被改
    /* Get the location of the current TCB. */
    ldr    r3, =pxCurrentTCB   // pxCurrentTCB地址加载到寄存器r3。pxCurrentTCB:指向当前任务控制块的指针。
    ldr r1, [r3]            // pxCurrentTCB 的值加载到r1
    ldr r0, [r1]            // r1 指向的地址（TCB中的栈顶地址）加载到r0
    /* Pop the core registers. */
    ldmia r0!, {r4-r11, r14}// 加载多个寄存器，保存当前任务上下文
    msr psp, r0             // 更新程序堆栈指针（PSP）的值为r0，加载下一个任务的上下文

    isb             // 指令同步屏障，确保更新PSP
    mov r0, #0      // 将0移至寄存器r0，用于接下来重置基本优先级寄存器。
    msr    basepri, r0 // 中断优先级控制寄存器设置为零，允许所有中断。
    bx r14          // 使用r14（LR）的值返回到SVC调用之前的地址
}

（2）PendSVHandler

为什么采用了pendSVHandler函数切换任务而不是在systick定时中断切换任务：
如果优先级低，那么切换任务时会被别的高优先级任务打断，容易出问题。
如果优先级高，那么高优先级任务执行切换任务的函数，耗时较长，实时性差。
解决的办法：
仅使用systick异常通知需要切换任务，
使用优先级最低的PendSV_Handler中断函数来真正切换任务

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
    extern uxCriticalNesting;
    extern pxCurrentTCB;
    extern vTaskSwitchContext;

/* *INDENT-OFF* */
    PRESERVE8

    mrs r0, psp
    isb

    ldr r3, =pxCurrentTCB /* Get the location of the current TCB. */
    ldr r2, [ r3 ]

    stmdb r0 !, { r4 - r11 } /* Save the remaining registers. */
    str r0, [ r2 ] /* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */

    stmdb sp !, { r3, r14 }
    mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
    msr basepri, r0
    dsb
    isb
    bl vTaskSwitchContext
    mov r0, #0
    msr basepri, r0
    ldmia sp !, { r3, r14 }

    ldr r1, [ r3 ]
    ldr r0, [ r1 ] /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
    ldmia r0 !, { r4 - r11 } /* Pop the registers and the critical nesting count. */
    msr psp, r0
    isb
    bx r14
    nop
/* *INDENT-ON* */
}

其中vTaskSwitchContext的函数实现如下

void vTaskSwitchContext( void )
{
    //如果调度器挂起那就不能进行任务切换
    if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) pdFALSE )
    {
        xYieldPending = pdTRUE;
    }
    else
    {
        xYieldPending = pdFALSE;
        traceTASK_SWITCHED_OUT();
        taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();     /* Check for stack overflow, if configured. */
        taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK(); 
        /* 获取最高优先级的任务
        实现是一个宏，首先执行从任务列表中获取最高优先级任务，
        然后在最高优先级的任务就绪列表中获取下一个任务的控制块TCP。 */
        traceTASK_SWITCHED_IN();
    }
}