news 2026/8/16 13:53:21

RTOS随笔之FreeRTOS第二篇

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张小明

前端开发工程师

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RTOS随笔之FreeRTOS第二篇

RTOS启动与同步机制

  • RTOS启动
  • 任务切换场景
  • 任务同步机制
    • 队列
    • 信号量
    • 事件组
    • 任务通知
  • 任务延时

RTOS启动

FreeRTOS在任务创建完成后调用函数vTaskStartScheduler()启动任务调度器。
vTaskStartScheduler()任务启动函数详解

voidvTaskStartScheduler(void){BaseType_t xReturn;xReturn=xTaskCreate(prvIdleTask,"IDLE",configMINIMAL_STACK_SIZE,(void*)NULL,(tskIDLE_PRIORITY|portPRIVILEGE_BIT),&xIdleTaskHandle);//创建空闲任务，空闲任务优先级最低#if(configUSE_TIMERS==1)//是否使用软件定时器{if(xReturn==pdPASS){xReturn=xTimerCreateTimerTask();//创建软件定时器任务}else{mtCOVERAGE_TEST_MARKER();}}#endifif(xReturn==pdPASS){portDISABLE_INTERRUPTS();//关闭中断#if(configUSE_NEWLIB_REENTRANT==1){_impure_ptr=&(pxCurrentTCB->xNewLib_reent);}#endifxNextTaskUnblockTime=portMAX_DELAY;xSchedulerRunning=pdTRUE;//调度器开始运行xTickCount=(TickType_t)0U;portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS();//实现任务统计功能，具体由用户实现if(xPortStartScheduler()!=pdFALSE)//初始化任务硬件相关的功能，Systick/PendSV/FPU{//如果调度器启动成功，xPortStartScheduler()没有返回值，不会运行到这里}else{//不会运行到这里，除非调用xTaskEndScheduler()}}else{//创建空闲任务或定时器任务失败，内存不足configASSERT(xReturn!=errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY);}//防止编译器报错，INCLUDE_xTaskGetIdleTaskHandle定义为0,编译器会提示(void)xIdleTaskHandle;}

xPortStartScheduler()任务硬件相关函数详解

BaseType_txPortStartScheduler(void){portNVIC_SYSPRI2_REG|=portNVIC_PENDSV_PRI;//设置PendSV中断为最低优先级portNVIC_SYSPRI2_REG|=portNVIC_SYSTICK_PRI;//设置Systick中断为最低优先级vPortSetupTimerInterrupt();//设置Systick周期uxCriticalNesting=0;//初始化临界区嵌套计数prvEnableVFP();//使能FPU浮点运算*(portFPCCR)|=portASPEN_AND_LSPEN_BITS;//采用惰性压栈的特性自动保存寄存器/* 惰性压栈猜测：惰性压栈指的是异常产生时只将通用寄存器的值进行压栈，浮点寄存器值不压栈， 除非异常处理函数中存在浮点运算才会将浮点寄存器压栈。 具有浮点运算的处理器，总线错误和MemManage错误等异常可能会在惰性压栈期间产生。惰性压栈 特性推迟了浮点寄存器的压栈，只有当异常处理中存在浮点运算时才会将浮点寄存器的值先压栈， 后执行异常处理中的浮点运算。 */prvStartFirstTask();//在SVC异常中启动第一个任务return0;}

prvStartFirstTask()启动第一个任务函数详解

__asmvoidprvStartFirstTask(void){PRESERVE8 ldr r0,=0xE000ED08//向量表偏移寄存器VTOR的地址，存储栈顶地址，对该寄存器VTOR的值进行解引用获得栈顶地址ldr r0,[r0]//取R0地址处的值赋给R0，R0地址处的值是一个地址ldr r0,[r0]//取R0地址处的值赋给R0, R0地址处的值是栈顶msr msp,r0//复位栈顶MSPcpsie i//使能中断（清除PRIMASK）cpsie f//使能中断（清除FAULTMASK）dsb//数据同步屏障isb//指令同步屏障svc0//触发SVC异常nop nop}

vPortSVCHandler()SVC异常处理函数详解

__asmvoidvPortSVCHandler(void){PRESERVE8 ldr r3,=pxCurrentTCB//获取pxCurrentTCB指针的地址赋值R3ldr r1,[r3]//获取pxCurrentTCB指针指向的值赋值R1ldr r0,[r1]//获取R1地址处的值赋值给R0,获取任务栈栈顶指针，即任务控制块的第一个数据就是任务栈顶指针ldmia r0!,{r4-r11,r14}//R4~R11,R14寄存器出栈，栈顶移动36=4x9个字节，用户手动出栈msr psp,r0//设置进程栈指针，PSP=R0isb//指令同步屏障mov r0,#0//R0=0msr basepri,r0//basepri寄存器=0，开中断bx r14//硬件自动恢复R0~R3,R12,LR,PC,xPSP值，PC指向下一条指令}

任务切换场景

任务切换场景：
1.执行系统调用接口（含有taskYIELD()的API）
2.Systick定时器中断

任务在哪里切换：任务在PendSV的异常中切换

__asmvoidxPortPendSVHandler(void){externuxCriticalNesting;externpxCurrentTCB;externvTaskSwitchContext;PRESERVE8 mrs r0,psp//读取进程栈指针，保存在R0寄存器中isb ldr r3,=pxCurrentTCB//获取当前任务控制块的指针ldr r2,[r3]//将当前任务控制块的地址保存在R2寄存器中tst r14,#0x10it eq//判断是否使用FPU，使用的话在进行任务切换的时候要手动保存FPU寄存器到任务栈中vstmdbeq r0!,{s16-s31}//保存S16~S31这16个FPU寄存器stmdb r0!,{r4-r11,r14}//保存R4~R11,R14寄存器str r0,[r2]//将R0的值保存到R2所保存的地址中去，R2保存当前任务控制块的地址，等于更新任务块栈顶指针stmdb sp!,{r3}//将R3的值入栈mov r0,#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY msr basepri,r0//关闭中断进入临界区dsb isb bl vTaskSwitchContext//调用vTaskSwitchContext()获取下一个运行的任务mov r0,#0msr basepri,r0//打开中断，退出临界区ldmia sp!,{r3}//R3的值出栈，新的任务控制块ldr r1,[r3]ldr r0,[r1]//获取新的任务的栈顶指针，保存到R0中ldmia r0!,{r4-r11,r14}//R4~R11,R14出栈tst r14,#0x10it eq vldmiaeq r0!,{s16-s31}//判断当前任务是否使用FPU,是的话手动恢复FPU寄存器msr psp,r0//跟新进程栈指针isb#ifdefWORKAROUND_PMU_CM001/* XMC4000 specific errata */#ifWORKAROUND_PMU_CM001==1push{r14}pop{pc}nop#endif#endifbx r14/* 硬件自动恢复R0~R3,R12,LR,PC,xPSP值,确定异常返回后进入处理器模式还是进程模式， 使用主栈指针MSP还是进程栈指针PSP。后续进入进程模式，使用进程栈指针，PC的值指向 新任务的函数，新任务开始运行 */}

任务同步机制

  • 队列
  • 信号量（二值/计数/互斥）
  • 事件组
  • 任务通知（消息邮箱）

队列

队列传输数据的两种方式：

  • 拷贝：把数据复制进队列
  • 引用：把数据地址复制进队列，数据要做保护

多任务发送队列，怎么区别数据来源：

  • 结构体：ID+数据形式
  • 位拼接：高位表示ID,低位表示数据
QueueHandle_txQueueCreate(UBaseType_t uxQueueLength,UBaseType_t uxItemSize);BaseType_txQueueReset(QueueHandle_t pxQueue);voidvQueueDelete(QueueHandle_t xQueue);BaseType_txQueueSend(QueueHandle_t xQueue,constvoid*pvItemToQueue,TickType_t xTicksToWait);BaseType_txQueueSendToBackFromISR(QueueHandle_t xQueue,constvoid*pvItemToQueue,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);BaseType_txQueueReceive(QueueHandle_t xQueue,void*constpvBuffer,TickType_t xTicksToWait);BaseType_txQueueReceiveFromISR(QueueHandle_t xQueue,void*pvBuffer,BaseType_t*pxTaskWoken);UBaseType_tuxQueueMessagesWaiting(constQueueHandle_t xQueue);//返回队列已有数据空间个数UBaseType_tuxQueueSpacesAvailable(constQueueHandle_t xQueue);//返回队列剩余数据空间个数BaseType_txQueueOverwrite(QueueHandle_t xQueue,constvoid*pvItemToQueue);//队列覆盖写BaseType_txQueueOverwriteFromISR(QueueHandle_t xQueue,constvoid*pvItemToQueue,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);BaseType_txQueuePeek(QueueHandle_t xQueue,void*constpvBuffer,TickType_t xTicksToWait);//复制队列中的数据，不删除数据，队列中无数据时阻塞BaseType_txQueuePeekFromISR(QueueHandle_t xQueue,void*pvBuffer,);

信号量

  • 通知作用
  • 计数型信号，信号初值自定义，发送加1，接收减1
  • 二进制信号，信号初值是0，发送加1，接收减1
  • 互斥信号，防止同时访问共享资源（共享资源：全局变量，静态变量，公共函数）
  • 互斥信号禁止中断中使用
SemaphoreHandle_txSemaphoreCreateCounting(UBaseType_t uxMaxCount,UBaseType_t uxInitialCount);SemaphoreHandle_txSemaphoreCreateBinary(void);SemaphoreHandle_txSemaphoreCreateMutex(void);//互斥锁，他人也能解锁SemaphoreHandle_txSemaphoreCreateRecursiveMutex(void);//递归锁，自己上锁自己解锁，他人无法解锁voidvSemaphoreDelete(SemaphoreHandle_t xSemaphore);BaseType_txSemaphoreGive(SemaphoreHandle_t xSemaphore);BaseType_txSemaphoreGiveFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);BaseType_txSemaphoreTake(SemaphoreHandle_t xSemaphore,TickType_t xTicksToWait);BaseType_txSemaphoreTakeFromISR(SemaphoreHandle_t xSemaphore,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);

事件组

  • 事件发生，广播所有任务
  • 事件可以与或组合
  • 多任务可以同步
EventGroupHandle_txEventGroupCreate(void);voidvEventGroupDelete(EventGroupHandle_t xEventGroup);EventBits_txEventGroupSetBits(EventGroupHandle_t xEventGroup,constEventBits_t uxBitsToSet);EventBits_txEventGroupSetBitsFromISR(EventGroupHandle_t xEventGroup,constEventBits_t uxBitsToSet,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);EventBits_txEventGroupWaitBits(EventGroupHandle_t xEventGroup,constEventBits_t uxBitsToWaitFor,constBaseType_t xClearOnExit,constBaseType_t xWaitForAllBits,TickType_t xTicksToWait);EventBits_txEventGroupSync(EventGroupHandle_t xEventGroup,constEventBits_t uxBitsToSet,constEventBits_t uxBitsToWaitFor,TickType_t xTicksToWait);

任务通知

  • 明确通知的任务，数据任务独享
  • 不额外开辟内存
  • 效率更高
  • 中断中只能发送数据给任务
/*任务通知计数功能函数*/BaseType_txTaskNotifyGive(TaskHandle_t xTaskToNotify);voidvTaskNotifyGiveFromISR(TaskHandle_t xTaskHandle,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);uint32_tulTaskNotifyTake(BaseType_t xClearCountOnExit,TickType_t xTicksToWait);/*任务通知复杂功能函数*/BaseType_txTaskNotify(TaskHandle_t xTaskToNotify,uint32_tulValue,eNotifyActioneAction);BaseType_txTaskNotifyFromISR(TaskHandle_t xTaskToNotify,uint32_tulValue,eNotifyAction eAction,BaseType_t*pxHigherPriorityTaskWoken);BaseType_txTaskNotifyWait(uint32_tulBitsToClearOnEntry,uint32_tulBitsToClearOnExit,uint32_t*pulNotificationValue,TickType_t xTicksToWait);

任务延时

vTaskDelay（n）：进入vTaskDelay到退出间隔至少n个Tick中断
xTaskDelayUntil（&Pre, n）：两次退出 xTaskDelayUntil 的时间至少是n个Tick中断，也就是任务运行时的Tick+Delay的Tick

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