FreeRTOS内部机制（一）

1.任务创建

1.1参数解析

• 任务创建出来需要做什么？需要提供函数
• 任务随时会被切换，寄存器保存在哪？需要提供栈，可以静态分配（数组），也可以动态分配
• 怎么记录这些信息：栈在哪里？需要有一个任务结构体

1.1.1任务结构体

TCB_t用来表示一个任务，它的重要成员如下：

• pxTopOfStack：执行栈里的最后一个元素
• xStateListItem：通过它把当前任务放入某个状态链表(Ready, Delayed, Suspended)
• xEventListItem：比如任务在等待队列A，则通过xEventListItem把自己放入队列A的链表
• uxPriority：任务的原始优先级
• pxStack：栈的起始位置
• pxEndOfStack：栈顶，栈的最高的、有效地址
• uxBasePriority：任务的当前优先级

提问：在TCB_t里怎么没看到函数指针？

答：初始化任务时，把函数指针存入了栈里（PC）

1.2任务创建的过程

xTaskCreate
		// 1. 分配任务结构体
	    TCB_t * pxNewTCB;
	    pxNewTCB = ( TCB_t * ) pvPortMalloc( sizeof( TCB_t ) );
                                                    
		// 2. 分配栈
		pxNewTCB->pxStack = ( StackType_t * ) pvPortMallocStack( ... );
		
		// 3. 初始化任务栈，即构造TCB_t的内容
		prvInitialiseNewTask
			// 3.1 初始化优先级、队列等等
			pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
			vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );
			vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xEventListItem ) );
			
			// 3.2 初始化栈
			pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack(...)
		
		// 4. 放入就绪链表
		prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB );

2.任务的调度机制

2.1使用链表来管理任务

有很多任务都想运行，优先级各不相同，怎么管理它们？

每个优先级，都有一个就绪链表：pxReadyTasksLists[优先级]

任务被创建时，要使用prvAddNewTaskToReadyList()来把它放入对应的就绪链表，调用过程为：

xTaskCreate
    ->prvAddNewTaskToReadyList
    	->vListInsertEnd( &( pxReadyTasksLists[ ( pxTCB )->uxPriority ] ), &( ( pxTCB )->xStateListItem ) );

2.2 使用链表来理解调度机制

2.2.1 第1个运行任务是谁？

最高优先级的ready list里最后一个创建的任务：

2.2.2 抢占

最高优先级的ready list里的第1个任务永远可以即刻执行：

2.2.3 使用链表和Tick来理解时间片轮转

问：谁来执行任务调度？

答：由 内核调度器（Kernel Scheduler） 通过 硬件中断 和 软件协作 共同实现的

1.时间驱动者：SysTick 中断

• 机制：
  • Cortex-M 内核自带的 SysTick 定时器 每隔一个固定的时间（通常是 1ms，即 configTICK_RATE_HZ）产生一次中断
  • 中断服务函数 xPortSysTickHandler() 被调用

• 工作内容：
  1. 更新系统滴答计数 (xTickCount++)
  2. 检查是否有延时的任务到期了（将它们从延时列表移回就绪列表）
  3. 如果开启了时间片轮转 (configUSE_TIME_SLICING)，且当前有多个同优先级的任务，它会标记需要进行上下文切换
  4. 如果需要切换，它会触发 PendSV 中断

2.事件驱动者：PendSV 中断

• 为什么需要它？
  • 为了保证实时性，FreeRTOS 不希望在中断（如 SysTick 或外设中断）还没处理完时就急着切换任务
  • 因此，当调度器决定“该换人了”，它不会立即切换，而是挂起一个 PendSV (Pendable Request for System Service) 异常
• 工作机制：
  • PendSV 的优先级被设置为全系统最低
  • 只有当所有其他高优先级的硬件中断（如串口、定时器、SysTick）都处理完毕后，CPU 才会去处理 PendSV
  • PendSV_Handler 被执行：
    1. 保存当前任务的上下文（R4-R11 等）到当前任务的栈中
    2. 调用 vTaskSwitchContext() 选择新任务
    3. 从新任务的栈中恢复上下文
    4. 返回，CPU 开始执行新任务的代码

3.核心执行者：调度器内核代码

这是调度的“大脑”。它包含在 tasks.c 文件中，主要职责是决定**“下一个运行谁”**。

• 关键函数：vTaskSwitchContext()
  • 这个函数会调用我们之前讨论过的宏 taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()。
  • 它扫描就绪列表，找到优先级最高的任务，并更新全局指针 pxCurrentTCB 指向该任务。
• 触发时机：当系统检测到需要切换任务时（如时间片到期、高优先级任务就绪），就会调用这个函数

2.3任务状态的切换

2.3.1状态转换图

2.3.2核心：链表

怎么理解？

答：FreeRTOS 并不通过复杂的“状态机”变量来记录每个任务在哪里，而是通过将任务控制块（TCB）在不同的链表之间“剪贴”和“移动”，来直观地表示和执行任务状态的改变

typedef struct tskTaskControlBlock {
    volatile StackType_t *pxTopOfStack; /* 栈顶指针 */
    /* ... 其他信息 ... */
    ListItem_t xStateListItem;          /* 【关键】用于挂在“状态链表”中的节点 */
    ListItem_t xEventListItem;          /* 【关键】用于挂在“事件链表”中的节点 */
    UBaseType_t uxPriority;             /* 优先级 */
    /* ... */
} TCB_t;

• 重点：每个 TCB 内部嵌入了 ListItem_t（列表项）
• 作用：这就好比每个人（TCB）手里都拿着一个钩子（ListItem），可以随时把自己挂到不同的队伍（链表）里