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前言

我们知道在使用FreeRTOS时，当我们在main函数中调用了vTaskStartScheduler();之后，FreeRTOS的任务调度器就接管了main()了，且不会运行main中vTaskStartScheduler();之后的代码了。之前我一直认为FreeRTOS中有类似于while(1)地方，所以调用了vTaskStartScheduler();之后就不会再往下继续运行了。

然后带着这种想法我去查看了FreeRTOS的代码，可是走进vTaskStartScheduler()的实现，并没有找到有任何wihle(1)的地方。

于是为了找到答案，我重新梳理了下FreeRTOS的任务调度器是如何接管main()函数的，这里向大家分享一下，如果有不对的地方希望大家能够评论说出来一起讨论下。

1. 预备知识

前面一直以为FreeRTOS的任务调度器是通过while(1)的方式接管的main()函数归咎其原因还是自己对代码到底是怎么运行的这块理解的不深，所以这里我们需要先了解一些基本知识，了解了这些之后后面再理解如何被接管的就更加轻松了。

1.1 是谁决定了CPU运行哪段代码？

我们在探讨FreeRTOS的任务调度器是如何接管了main()函数的运行前，需要首先了解决定CPU接下来到底运行哪段程序的因素到底是什么？是函数调用吗？还是将某个函数指针赋值到某个特定的寄存器？还是其他？

程序计数器（PC）决定了CPU的执行流程
程序计数器（PC, Program Counter）是决定 CPU 执行哪段代码的核心机制。每条指令执行时，CPU 会读取 PC 中保存的地址，并根据该地址从内存中取出指令进行执行。执行一条指令后，PC 会根据指令类型的不同进行相应的更新，通常是递增的，指向下一条指令的地址。

• PC 递增：程序按顺序执行时，PC 会递增到下一条指令的地址。

• 跳转指令：例如 goto、if、while、for 等控制结构会修改 PC 的值，指向条件判断或跳转目标。

• 函数调用：在函数调用时，当前指令的地址（即返回地址）会被压入栈中，PC 会跳转到被调用函数的地址。函数执行完毕后，PC 会通过栈恢复到函数调用处的下一条指令。

1.2 函数调用与返回机制

函数调用和返回是程序流控制的基本方式。当一个函数被调用时，CPU 会执行以下操作：

• 保存当前地址：将当前的 PC 值（即调用指令的地址）压入栈（LR）中，以便函数执行完后能够返回。
• 修改 PC：将 PC 修改为被调用函数的起始地址，执行该函数。
• 函数返回：函数执行完成后，PC 会从栈中弹出返回地址，跳转回函数调用处继续执行。

1.3 任务调度和上下文切换

在操作系统中，任务调度器决定了哪个任务运行、停止，这个决策依赖于操作系统的调度策略（优先级、时间片）

当从一个任务切换到另外一个任务时，最关键的是上下文切换，指的是保存当前任务的状态（PC、寄存器、栈指针），然后将控制权转交给另一个任务。这个过程通常由时钟中断触发，操作系统会在每次中断时检查是否需要切换任务。

• 任务控制块（TCB）：每个任务都有一个 TCB，其中包含了该任务的状态信息，包括 PC 和其他寄存器的值。
• 上下文保存与恢复：当任务调度发生时，当前任务的 PC 和其他寄存器的值会被保存到 TCB 中，并且下一任务的 PC 和寄存器的值会被恢复，从而实现任务的切换。

1.4 堆栈指针（SP/MSP/PSP）

堆栈指针（Stack Pointer，SP）作为处理器中的一个关键寄存器，用于管理堆栈操作。堆栈是一个特殊的内存区域，用于存储函数调用时的局部变量、返回地址、保存的寄存器等信息。STM32 中的堆栈指针有两个主要类型：主堆栈指针（MSP） 和 进程堆栈指针（PSP）。

SP、MSP和PSP的关系
SP、MSP和PSP都是与堆栈指针相关的寄存器，但它们在 STM32（基于 ARM Cortex-M 核心的微控制器）中的作用和使用方式有所不同

• SP：它实际上是 MSP 或 PSP 的别名，表示当前使用的堆栈指针。
• MSP（Main Stack Pointer，主堆栈指针）：它在异常模式（如中断或者系统调用）下用于堆栈操作，是默认的堆栈指针（main函数使用的就是MSP）。
• PSP（Process Stack Pointer，进程堆栈指针）：它通常用于线程模式下，即应用程序或者RTOS中的用户任务。当应用程序运行时，通常使用 PSP 进行堆栈操作，特别是在多任务操作系统中，每个任务会有自己的 PSP。

执行时的堆栈指针

• 默认情况下： 如果没有执行任务切换或终端，SP指向MSP，执行的是主堆栈。
• 中断发生时：处理器会自动使用MSP。
• 任务切换时：RTOS会切换到PSP，执行对应任务的堆栈

代码示例：切换堆栈指针

// 切换到 PSP 模式
__set_PSP(0x20002000);  // 设置 PSP 指向新的堆栈地址
__set_CONTROL(__get_CONTROL() | 0x02);  // 切换到线程模式（使用 PSP）// 切换回 MSP 模式
__set_CONTROL(__get_CONTROL() & ~0x02);  // 切换到异常模式（使用 MSP）
__set_MSP(0x20001000);  // 设置 MSP 指向主堆栈地址

堆栈指针内容

在理解堆栈指针时，大家可以这么想，每个函数都有一个属于自己的栈帧，该栈帧就是该函数的堆栈指针，其中包含了函数的返回地址以及R0~R11这些寄存器中要填充的值。

当进行函数调用或者任务切换时，实际上就是将正在使用的函数的栈信息先存下来，然后挑战转新函数或者新任务的地址去执行，同时将新函数或者任务的栈帧取出来填充到实际的R0~R11、PC、LR这些寄存器中。这就是任务的切换与还原。

2. 代码流程分析

2.1 启动任务调度器

vTaskStartScheduler
我们一般是在main()中调用vTaskStartScheduler()启动线程。我们看下该函数，进入该函数后首先它会创建一个idle线程，这个idle线程一般是优先级最低的。idle线程是必须要有的，因为这样当没有任务需要执行时就能够执行idle线程。否则我们想一下如果任何任务都没有那不就没有任务能够接管main()了吗

xPortStartScheduler
vTaskStartScheduler 又会调用到prvStartFirstTask()。
该函数主要是做一些任务调度器启动前的准备工作，例如将要用到的中断优先级拉低。然后开始启动第一个FreeRTOS的task

prvStartFirstTask

该函数的作用：

1. 恢复主堆栈指针 (MSP)，确保系统的堆栈指针指向正确的位置。
   当操作系统（如 FreeRTOS）开始调度任务时，通常会将任务切换的堆栈指针切换为 进程堆栈指针 (PSP)。这是因为每个任务需要独立的堆栈空间，以避免不同任务之间的数据冲突或覆盖。但是在启动启动阶段没有任何任务，所以在启动第一个任务之前，必须确保MSP被正确恢复，如果不恢复系统将无法正常执行切换。
2. 清除控制寄存器中的 FPU 使用位，以便于在启动任务前不占用不必要的空间。
3. 启用中断，确保系统可以响应中断。
4. 启动第一个任务，通过一个系统调用（svc 0）

另外需要注意msr control, r0
ARM Cortex-M 处理器有一个 CONTROL 寄存器，它控制系统当前使用的是 MSP 还是 PSP。CONTROL 寄存器的第 1 位表示当前是否使用 PSP，如果为 1，则使用 PSP，如果为 0，则使用 MSP。

执行svc中断（svc 0）vPortSVCHandler

我们需要先了解下SVC中断，在arm架构中SVC是具备特权模式的中断，一般用来从应用模式切换到特权模式（内核模式）。在特权模式下处理器有更高的权限，可以执行一些用户模式下不能执行的操作。
像msr psp, r0 这种只有在特权模式下才能被执行。

该中断的含义就是将第一个任务的的堆栈指针取出来，获取要执行任务的地址以及恢复任务的现场。
通过 msr psp, r0 指令可以恢复堆栈指针为 PSP（任务堆栈）并执行相应的任务。

这之后FreeRTOS的第一个任务就接管了main()函数，当前运行的SP也从MSP转变为了PSP。

2.2 执行调度

这块的内容可以参考我之前的一篇博客《聊一聊 - FreeRTOS的任务调度实现》
调度主要是利用tick中断以及pendSV中断来实现的。
tick中断中执行xPortSysTickHandler，该函数会调用xTaskIncrementTick()增加RTOS的tick计数，同时检查当前是否有高优先级的任务处于就绪状态了，以及是否有任务的时间片到了可以出发任务切换了。

当xTaskIncrementTick返回为pdTRUE（即需要进行任务切换时），会通过

portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;

打开pendSV中断。然后在pendSV中断中执行任务的切换。

3. 参考链接

FreeRTOS学习笔记：FreeRTOS启动方式及流程
FreeRTOS的启动流程