深度解剖~ FreeRtos閱讀筆記3 freertos調度器啓動、中斷優先級管理、中斷優先級分組

3. freertos調度器啓動、中斷優先級管理、中斷優先級分組

 

永遠不要小看不起眼的東西，哪怕是短短的一行代碼！

(某些圖片分辨率過大顯示不清楚，保存到本地或拖動可放大)。

 

不少例程將vTaskStartScheduler函數做爲main執行的最後一行代碼，由於執行了vTaskStartScheduler後主權便交給了freertos調度器，程序永遠不會在這個函數中獲得返回。

vTaskStartScheduler主要動做有：建立IDLE任務，初始化systick等重要寄存器，手動觸發中斷從新配置MSP並返回到handle模式執行第一個任務。如圖展現源碼主要流程：

(調度器啓動流程)

流程分析:

3.1 建立IDLE任務

vTaskStartScheduler函數中建立了名爲IDLE的任務，這個任務的功能先無論它，先饒它不死等對源碼逐個擊破後它就會不攻自破。

 

3.2 關中斷

某些不可重入代碼段或定義的一些全局變量，在使用它們以前每每先進入臨界區保護下，以避免突發事件產生時破壞當前正要處理的數據。好比一些全局變量，若是在中斷裏或多個任務中都被使用到，當任務正在處理某個全局數組的數據時，此時中斷髮生並更新了數組中的數據，這樣中斷返回後就會產生一些不可預料的結果。

記得在實習那會寫過很多這樣的錯誤代碼，沒有考慮代碼能不能重入，結果只能害人害己啊~。

在task.c中有一些全局變量，freertos爲了保護這些變量數據在處理時不被異常破壞而使用了中斷屏蔽，不過這種操做並無將全部可屏蔽中斷一股腦所有殺死：freertos提供了「可管理的中斷範圍」。以某個中斷優先級爲閾值，優先級低於（或等於）此分界線的中斷將所有屏蔽，較高的中斷則不受影響。固然不會白白讓「高等」優先級執行的，代價即是freertos不會讓高優先級的中斷參與任何api的調用。因此「高等」優先級是否觸發都不會影響freertos的正常運行。

事實上可以有如此方便的屏蔽操做還要歸功於CM3/CM4中NVIC的強大。寫到這裏，終於引出今天的主角了~。NVIC ：嵌套向量中斷控制器，是CM3/CM4內核水平上搭載了一個異常響應系統，支持爲數衆多的系統異常和外部中斷。不只如此，NVIC擁有者更多精巧的設計，BASEPRI寄存器即是其中之一，屏蔽中斷所使用的閾值就存儲在其中，屏蔽時將須要屏蔽中斷的最高優先級值填入寄存器便能達到效果。若是向BASEPRI寫0則意味着中止掩蔽任何中斷。

在配置頭文件中能夠看到閾值的身影：configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

freertos執行中斷屏蔽的源碼：

mov r1, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY                    

msr basepri, r1   

 

3.3 優先級定義

CM3中使用了8位寄存器來表達中斷優先級，因此原則上，CM3支持256級可編程優先級和3個固定優先級（復位，NMI ，硬 fault）。

可是，絕大多數 CM3 芯片都會精簡設計，對優先級有效位數進行裁剪以達到減小優先級數的目的，不過不管怎樣裁剪，有效位都是在高位開始算起。

注：CM3 容許的最少使用位數爲 3 個位，亦即至少要支持 8 級優先級。增長位數將增長更多成本和功耗。

優先級的數值越小，則優先級越高。

舉個例子，使用了3位有效位表達優先級的寄存器：

(使用了3位有效位表達優先級)

對有效位寫1能讀回1，無效位讀回0，上圖寄存器中，若對它寫入0xFF則讀回0xE0，可使用讀回的方法判斷芯片支持多少級中斷。

對比下3位和4位優先級情況：

（3-4優先級對比）

上圖仍是來自寶典，有圖截取真爽。很明顯4位要比3位表示的優先級範圍更細緻些，固然這是廢話，不過爲何必定要將有效位放在高位，而不放在低位更直觀。這也徹底是爲了開發者考慮，高位能夠簡化程序的跨器件移植：

假設一個程序要從4位向3位上移植（3位向4位上移植確定是沒問題的，由於4位範圍更廣），在沒有刻意更改優先級的狀況下如圖:

（MSB減小有效位情況）

移植後優先級有效位減小，原來相鄰的兩個優先級被置爲一個，消失的中斷優先級被拉高，不過這些改變將不會帶來致命錯誤。

若是使用低位來表明有效位的話將不會這樣幸運了：

（LSB減小有效位情況）

紅色區域出現移植後超過7的優先級反而升高，這對於以前的程序將會帶來不可預測的錯誤。

 

3.4優先級分組

最後一個函數xPortStartScheduler中有一段斷言宏打開時執行的代碼，調試階段確定要將斷言配置打開，這樣便於程序在調試階段及時發現異常。程序段以下：

乍一看徹底不知道執行這段程想要達到的目的，想要弄清楚以前首先要搞懂優先級分組的原則。

關於優先級分組的信息，引用寶典的原話：「爲了使搶佔機能變得更可控，CM3 還把 256 級優先級按位分紅高低兩段，分別是搶佔優先級和亞優先級。 NVIC 中有一個寄存器是「應用程序中斷及復位控制寄存器」，它裏面有一個位段名爲「優先級組」。該位段的值對每個優先級可配置的異常都有影響——把其優先級分爲個位段：MSB 所在的位段（左邊的）對應搶佔優先級，而 LSB 所在的位段（右邊的）對應亞優先級」。

（分組位與分組優先級對應表）

搶佔優先級決定了搶佔行爲：當系統正在響應某異常 L 時，若是來了搶佔優先級更高的異常 H，則 H 能夠搶佔 L。亞優先級則處理「內務」：當搶佔優先級相同的異常有不止一個懸起時，就優先響應亞優先級最高的異常。這種優先級分組規定：亞優先級至少是 1 個位。所以搶佔優先級最可能是 7 個位，形成了最多隻有 128 級搶佔的現象。可是 CM3 容許從比特 7 處分組，此時全部的位都表達亞優先級，沒有任何位表達搶佔優先級，於是全部優先級可編程的異常之間就不會發生搶佔——至關於在它們之中除能了CM3 的中斷嵌套機制。

注：分組位置能夠在無效位，在任意無效位的效果都同樣，它們都捨去了亞優先級。

那麼瞭解優先級分組以後，再去分析上面斷言宏的主要動做，先向某個外部中斷優先級配置寄存器寫0xFF再讀回，主要判斷芯片有多少優先級有效位，而後根據有效位左移依次將最大分組數7減1，這樣便獲得了可以劃分搶佔優先級爲最大數的分組最大位置，例如開發板優先級有效位爲3（優先級寄存器7,6,5位），優先級最多能被分爲8組，可是可以將其分爲8組的分組位置爲4，3，2，1，0。這段程序只取最大值因此ulMaxPRIGROUPValue值獲得爲4。

ulMaxPRIGROUPValue值將會在freertos提供的中斷api中被使用到，這些api中都會首先執行vPortValidateInterruptPriority（）函數。這個函數中有兩個斷言宏，第一個檢查了當前的中斷優先級是否低於可屏蔽的中斷（上文提到高於可屏蔽的優先級不容許調用freertos的中斷api）；第二個檢查NVIC中設置的分組值是否大於ulMaxPRIGROUPValue，若是大於則意味着存在着主優先級和亞優先級，freertos不容許存在亞優先級，不然斷言宏伺候，貼下注釋原話：Priority grouping:  The interrupt controller (NVIC) allows the bits that define each interrupt's priority to be split between bits that define the interrupt's pre-emption priority bits and bits that define the interrupt's sub-priority.  For simplicity all bits must be defined to be pre-emption priority bits.  The following assertion will fail if this is not the case (if some bits represent a sub-priority).

按註釋的描述是爲了簡化而不去設置亞優先級。

 

3.5 調度器最後的配置

在調度器啓動以前還進行了：

1.      配置了兩個中斷PendSV 和SysTick的優先級，配置頭文件中的宏

configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY表示它們的中斷級別，configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY數值必定要大於或等於宏configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY的值，或者說PendSV 和SysTick中斷優先級必定要在可屏蔽中斷範圍內，若相反的話可就亂成一鍋粥了。

2.      開啓freertos的心臟systick，填入計數值來決定systick中斷頻率，也是任務調度頻率或說是時間片長度。

3.      跳入prvPortStartFirstTask函數:

ldr r0, NVIC_VTABLE_R  // NVIC_VTABLE_R: 0xE000ED08 ，向量表偏移量寄存器的地址，須要現將向量表重定向

ldr r0, [r0]        

ldr r0, [r0]      //取出MSP新地址  

msr msp, r0    //從新配置MSP地址                               

cpsie i       //開中斷                     

dsb

isb

svc #0   //觸發SVC中斷

至此，在進入SVC中斷以前，freertos開啓調度器代碼流程已執行完畢，等待SVC中斷處理完成後freertos便進入正軌。奔跑吧！fucking source code