FreeRTOS学习——Systick中断、SVC中断、PendSV中断

FreeRTOS学习——接口宏portmacro.h，仅用于记录自己阅读与学习源码
FreeRTOS Kernel V10.5.1
port ：GCC/ARM_CM7

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Systick

源码

在Systick中断xPortSysTickHandler中，只做了一件事，那就是挂起PendSV中断。
所以其实切换任务是在PendSV中断执行的。

void xPortSysTickHandler( void )
{/* SysTick以最低的中断优先级运行 */portDISABLE_INTERRUPTS();{/* Increment the RTOS tick. */if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE ){/* 上下文切换在 PendSV 中断 中执行* 挂起 PendSV 中断. */portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;}}portENABLE_INTERRUPTS();
}

触发方式

在开启调度器时，会调用定时器中断设置函数vPortSetupTimerInterrupt，以生成 tick 中断，如下：
vTaskStartScheduler →
xPortStartScheduler →
vPortSetupTimerInterrupt
配置系统的滴答定时器，以允许操作系统根据配置的频率生成定时中断，从而支持任务的调度和管理

__attribute__( ( weak ) ) void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{/* 低功耗模式，这里先不做分析. */#if ( configUSE_TICKLESS_IDLE == 1 ){ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ / configSYSTICK_CLOCK_HZ );}#endif /* configUSE_TICKLESS_IDLE *//* 停止和清除SysTick. */portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;/*将控制寄存器设置为0，停止SysTick*/portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;/*将当前值寄存器清零。*//* 配置SysTick. *//* 设置加载寄存器，将SysTick的计数重加载为目标计数值*/portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;/* 设置SysTick的控制寄存器，以启用时钟、启用中断和使能SysTick*/portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT_CONFIG | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}

这几个值分别是

#define configSYSTICK_CLOCK_HZ             ( configCPU_CLOCK_HZ )
/* Ensure the SysTick is clocked at the same frequency as the core. */
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT_CONFIG    ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT )#define configCPU_CLOCK_HZ						( SystemCoreClock )
#define configTICK_RATE_HZ						( 1000 )#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT              ( 1UL << 2UL )
#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT              ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT           ( 1UL << 0UL )

然后就会按照设定的时间（默认1ms）周期性的触发Systick中断

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SVC

源码

void vPortSVCHandler( void )
{__asm volatile (                           /* volatile表示不能移除或重排序这段代码. */"	ldr	r3, pxCurrentTCBConst2		\n"/* 将pxCurrentTCB的地址加载到r3中. */"	ldr r1, [r3]					\n"/* 从r3指向的位置读取当前任务控制块（TCB）的地址并将其存储在r1中. */"	ldr r0, [r1]					\n"/* 从r1指向的位置读取数据，即当前任务控制块中的第一个元素，所以r0中保存的就是当前任务栈的栈顶地址. */"	ldmia r0!, {r4-r11, r14}		\n"/* 栈中弹出寄存器r4到r11和r14（链接寄存器），这里使用ldmia指令（加载多寄存器），!表示更新指针r0，指向下一个数据. */"	msr psp, r0						\n"/* 将恢复后的任务栈指针r0存入psp，这样就恢复了当前任务的执行上下文. */"	isb								\n"/* 指令同步屏障，确保之前的指令在接下来的指令执行之前完成*/"	mov r0, #0 						\n"/* 将寄存器r0清零，准备设置中断优先级屏蔽*/"	msr	basepri, r0					\n"/* 将basepri设置为0，意味着没有设置优先级屏蔽，允许所有中断*/"	bx r14							\n"/* 通过bx指令跳转到r14寄存器中保存的地址，通常是返回到被中断的任务执行*/"									\n""	.align 4						\n"/* 确保下一条指令或数据在4字节边界对齐*/"pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB				\n"/* 定义一个标签pxCurrentTCBConst2，并将pxCurrentTCB的地址存储到这个标签中，以便在前面的ldr指令中使用*/);
}

1. 获取当前任务控制块pxCurrentTCB的栈顶地址
2. 将r4-r11, r14手动出栈
3. 将当前栈顶指针存入psp
4. 开中断

ldr r3, pxCurrentTCBConst2：将pxCurrentTCBConst2的值（即pxCurrentTCB的地址）加载到寄存器r3中。
ldr r1, [r3]：从r3指向的内存地址加载当前任务控制块（TCB）的地址到r1中。
ldr r0, [r1]：从r1指向的TCB地址加载当前任务栈的栈顶地址到r0中。
ldmia r0!, {r4-r11, r14}：从r0指向的栈中弹出寄存器r4到r11和r14，!表示更新r0的值，指向下一个数据。
msr psp, r0：将恢复后的任务栈指针r0存入PSP（进程栈指针）。
mov r0, #0：将寄存器r0清零。
msr basepri, r0：将basepri寄存器设置为0，允许所有中断。
bx r14：跳转到返回地址。
pxCurrentTCBConst2: .word pxCurrentTCB：定义标签pxCurrentTCBConst2并将pxCurrentTCB的地址存储在该位置

触发方式

SVC（Supervisor Call）中断是通过软件触发的中断

SVC指令：软件通过执行 SVC 指令显式地请求中断，svc 0
当SVC指令被执行后，处理器会根据中断向量表中的信息跳转到相应的SVC中断处理函数，执行SVC指令时，处理器会自动保存当前的上下文，并将处理器的模式切换为特权模式，从而允许执行受限的操作

在开启调度器时，会调用开始第一个任务函数，如下
vTaskStartScheduler →
xPortStartScheduler →
prvPortStartFirstTask

static void prvPortStartFirstTask( void )
{/* 开始第一个任务。这也清除了指示FPU正在使用的位，以防FPU在调度器启动之前被使用，* 否则会导致SVC堆栈中不必要的空间留下，以延迟保存FPU寄存器。 */__asm volatile (" ldr r0, =0xE000ED08 	\n"/* 加载NVIC偏移寄存器的地址到r0寄存器，这个寄存器用于访问系统控制块（SCB）的基地址. */" ldr r0, [r0] 			\n"" ldr r0, [r0] 			\n"/* 读取两次，从SCB中加载系统栈指针（MSP）的值到r0寄存器*/" msr msp, r0			\n"/* 将r0中的值设置为主栈指针(MSP)，这标志着栈的开始. */" mov r0, #0			\n"/* 清除控制寄存器中指示FPU正在使用的位，以确保不保留之前的状态. */" msr control, r0		\n"" cpsie i				\n"/* 开中断. */" cpsie f				\n"" dsb					\n"" isb					\n"" svc 0					\n"/* 触发SVC异常. */" nop					\n"" .ltorg				\n");
}

1. 获取系统堆栈指针MSP
2. 清除FPU正在使用的位
3. 开中断
4. 触发SVC异常

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PendSV

源码

void xPortPendSVHandler( void )
{/* This is a naked function. */__asm volatile("	mrs r0, psp							\n"/* 读取当前进程的栈指针（Process Stack Pointer），将其值存入寄存器 r0*/"	isb									\n"/* 指令同步屏障*/"										\n""	ldr	r3, pxCurrentTCBConst			\n"/* 将pxCurrentTCB的地址加载到寄存器 r3. */"	ldr	r2, [r3]						\n"/* 从r3指向的位置读取当前任务控制块（TCB）的地址并将其存储在r2中. */"										\n""	tst r14, #0x10						\n"/* 测试链接寄存器 r14 的第 4 位，判断当前任务是否使用浮点单元（FPU）. */"	it eq								\n"/* 如果第 4 位为 1（即使用 FPU 上下文），则执行接下来的语句*/"	vstmdbeq r0!, {s16-s31}				\n"/* 如果使用 FPU 上下文，则将 FPU 的高寄存器（s16 到 s31）压入栈中*/"										\n""	stmdb r0!, {r4-r11, r14}			\n"/* 将寄存器 r4 到 r11 及 r14 压入栈中. */"	str r0, [r2]						\n"/* 将新的栈顶指针值保存到 TCB 中. */"										\n""	stmdb sp!, {r0, r3}					\n"/* 将目前的栈指针和 TCB 地址压入主栈，以便恢复，这里入栈是 MSP*/"	mov r0, %0 							\n"/* 将最大可用优先级（configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）加载到 r0 中*/"	cpsid i								\n"/* 禁止中断. */"	msr basepri, r0						\n"/* 设置优先级屏蔽寄存器（Base Priority），关中断*/"	dsb									\n"/* 数据同步屏障*/"	isb									\n"/* 指令同步屏障*/"	cpsie i								\n"/* 启用中断 */"	bl vTaskSwitchContext				\n"/* 调用任务切换的上下文切换函数*/"	mov r0, #0							\n""	msr basepri, r0						\n"/* 恢复 Base Priority 为 0，开中断*/"	ldmia sp!, {r0, r3}					\n"/* 从主栈中恢复之前保存的 r0 和 r3*/"										\n""	ldr r1, [r3]						\n"/* 从r3指向的位置读取当前任务控制块（已经更新过了）的地址并将其存储在r1中. */"	ldr r0, [r1]						\n"/* 从r1指向的位置读取数据，即当前任务控制块中的第一个元素，所以r0中保存的就是当前任务栈的栈顶地址*/"										\n""	ldmia r0!, {r4-r11, r14}			\n"/* 从栈中弹出保存的核心寄存器r4-r11 和 r14. */"										\n""	tst r14, #0x10						\n"/* 再次判断是否使用 FPU 上下文. */"	it eq								\n"/* 如果使用 FPU，上下文则执行下一条指令*/"	vldmiaeq r0!, {s16-s31}				\n"/* 如果使用 FPU，则从栈中弹出高寄存器（s16 到 s31）*/"										\n""	msr psp, r0							\n"/* 将恢复后的栈指针值写入PSP，以便切换到新的任务的栈中. */"	isb									\n"/* 指令同步屏障*/"										\n"#ifdef WORKAROUND_PMU_CM001 /* XMC4000特定勘误表解决方法. 这里不用管*/#if WORKAROUND_PMU_CM001 == 1"			push { r14 }				\n""			pop { pc }					\n"#endif#endif"										\n""	bx r14								\n"/* 返回到调用该处理程序的位置*/"										\n"/* 将后面的数据对齐到 4 字节*/"	.align 4							\n""pxCurrentTCBConst: .word pxCurrentTCB	\n"::"i" ( configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY ));
}

在PendSV中干了两件事
一是保存当前任务的现场

1. 获取当前任务控制块pxCurrentTCB的栈顶地址
2. 将核心寄存器入栈（其他寄存器在进入中断之前已经自动入栈）
3. 保存栈顶指针

二是恢复最新任务的现场

1. 调用任务切换的上下文切换函数，然后pxCurrentTCBConst中指向的值就已经变成了新的TCB的地址，但是pxCurrentTCBConst本身的内存地址是不变得
2. 获取最新任务控制块pxCurrentTCB的栈顶地址
3. 将核心寄存器出栈（其他寄存器在退出中断之后会自动出栈）
4. 将栈顶指针值写入PSP

这样就完成了上下文的切换， 在进入中断前后，堆栈指针的变化是：

1. 进入中断前，使用PSP，PSP指向旧任务的栈顶
2. 在中断中，使用MSP
3. 退出中断后，使用PSP，PSP指向新任务的栈顶

任务切换函数vTaskSwitchContext →
taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK →
listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY
经过此函数后，pxCurrentTCBConst已经指向了新的TCB

触发方式

1 在Systick handle中触发

/* 上下文切换在 PendSV 中断 中执行* 挂起 PendSV 中断. */portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;

2 taskYIELD();
通过调用taskYIELD来触发

#define portYIELD()                                 \{                                                   \/* Set a PendSV to request a context switch. */ \portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \\/* Barriers are normally not required but do ensure the code is completely \* within the specified behaviour for the architecture. */ \__asm volatile ( "dsb" ::: "memory" );                     \__asm volatile ( "isb" );                                  \}

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相关汇编指令

• ldr：加载寄存器指令，用于从内存中加载数据到寄存器中。
• ldmia：加载多寄存器指令，可以一次性将多个内存单元的数据加载到多个寄存器中。
• msr：移动至特权寄存器的指令，用于设置某些特定的寄存器。
• isb：指令同步屏障，用于确保指令执行的顺序，确保之前的指令在接下来的指令执行之前完成
• dsb：数据同步屏障，该指令确保所有之前的读写操作在继续执行后续指令之前完成
• mov：数据传送指令，用于将一个常数值或寄存器的值移动到另一个寄存器。
• bx：分支和交换指令，用于跳转到r14寄存器中保存的地址。
• .align：伪指令，用于确保下一条指令或数据在指定的字节边界对齐。
• .word：伪指令，定义一个字（4字节）并将值存储到该位置。
• nop用于在代码中占用一个执行周期，但不进行任何操作，常常针对时序和代码结构进行调整
• .ltorg用于生成字面量池，为代码中使用的常量提供存储空间。通过将常量放置在易于访问的位置，它提高了程序的整体性能。
• 开关中断指令
  CPSID I ;PRIMASK=1 ;关中断 （硬件错误异常 不关）
  CPSIE I ;PRIMASK=0 ;开中断
  CPSID F ;FAULTMASK=1 ;关异常（硬件错误异常 也关）
  CPSIE F ;FAULTMASK=0 ;开异常

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本人菜鸟，欢迎大佬们甄误