- RTOS多任务运行
- Cortex-M4对于多任务运行的硬件架构支持特性
最近研究FreeRTOS的内核源码，产生了一个疑问？
//创建开始任务
xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task, //任务函数
(const char* )"start_task", //任务名称
(uint16_t )START_STK_SIZE, //任务堆栈大小
(void* )NULL, //传递给任务函数的参数
(UBaseType_t )START_TASK_PRIO, //任务优先级
(TaskHandle_t* )&StartTask_Handler); //任务句柄
//创建TASK1任务
xTaskCreate((TaskFunction_t )malloc_task,
(const char* )"malloc_task",
(uint16_t )MALLOC_STK_SIZE,
(void* )NULL,
(UBaseType_t )MALLOC_TASK_PRIO,
(TaskHandle_t* )&MallocTask_Handler);
vTaskDelete(StartTask_Handler); //删除开始任务
只要通过FreeRTOS提供的任务创建函数API就能够运行我们应用层写的代码。换句话说，FreeRTOS是怎么找到我们写的代码，然后进行运行的呢？首先看一下任务创建函数声明：
BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
const char * const pcName,
const uint16_t usStackDepth,
void * const pvParameters,
UBaseType_t uxPriority,
TaskHandle_t * const pxCreatedTask )
参数说明如下：
pxTaskCode：我们应用程序编写的任务函数指针；
pcName：任务的名字，应用层自己设定；
usStackDepth：每一个任务堆栈的深度，我们这里是32位MCU，那么堆栈深度为usStackDepth*4字节；
pvParameters：执行的任务函数时传递的参数；
uxPriority：任务的优先级；
pxCreatedTask：任务句柄，实际就是指向任务控制块指针。
在这里我要用两篇博客进行探究上述问题。其中，第一篇会从MCU硬件架构方面是怎么能够支持上述功能的（这里分析的是STM32F407 MCU，该MCU是基于Cortex-M4架构）；第二篇会实际分析FreeRTOS具体实现方法。
一、RTOS多任务运行
实时操作系统RTOS可用于处理任务调度，它是将处理时间分为多个时间片且将时间片分配给所需的任务，实现多个任务同时执行。需要一个定时器记录RTOS中每个人物的运行时间，当时间到之后就会触发任务调度器执行上下文切换，转而执行其他任务。
二、Cortex-M4对于多任务运行的硬件架构支持特性
1、寄存器组
Cortex-M4处理器的寄存器组中含有16个寄存器，其中13个是32位通用目的寄存器，3个特殊寄存器。
1）R0~R12
前8个被称作低寄存器，由于指令中可用的空间有限，许多16位指令只能访问低寄存器。后面4个寄存器被称为高寄存器，可以用于32位指令和几个16位指令。
2）R13，栈指针（SP）
可以通过PUSH和POP操作实现栈存储的访问，其实在物理上会有两个栈指针。MSP被称为主栈指针，复位后或者处于处理模式时会使用该针；PSP进程栈指针，只能用于线程模式。在进行PUSH和POP时候总是32位，栈操作的地址必须对齐到32位的字边界上。一般如果我们的应用程序中没有涉及到嵌入式OS是不会用到PSP寄存器的，但是如果用到嵌入式OS就必须设置PSP。
3）R14，连接寄存器（LR）
函数或者子程序调用时返回地址的保存，在函数或者子程序结束时，程序控制可以通过将LR的数值加载到PC寄存器中实现返回调用的程序。***当执行函数或者子程序调用后，LR寄存器的数值会自动更新。***因此在调用函数之前要先把LR的数值保存到栈中。
在异常处理期间，LR会被自动更新为特殊的EXC_RETURN（异常返回）的数值，之后该数值在异常处理结束之后出发异常返回。
4）程序计数器PC
可读可写，写会导致跳转。
2、EXC_RETURN
处理器进入异常处理或者中断服务程序时，连接寄存器LR的数值会被更新为EXC_RETURN。利用BX指令加载到PC寄存器时，该数值就会触发异常返回机制。由于地址区域0xF0000000~0xFFFFFFFF被架构定义为不可执行，这样不会带来问题。
3、影子栈指针
由于在物理上采用两个栈指针寄存器，因此可以将处理器处于不同模式下使用不同的栈指针，这样我们在内核和异常处理状态下使用MSP，在普通任务下使用PSP，使得应用层与内核层完全分离。当我们应用层的代码出现BUG可以减少对内核层代码的影响，保证了软件的健壮性。
5）SVC异常
由SVC指令触发，异常类型为11，并且优先级是可编程的。利用SVC可以实现应用任务访问系统资源的API，如下图所示：
在FreeRTOS中使用SVC异常从出初始化切换到调度第一个任务。
总结：本文主要介绍了Cortex-m4对于RTOS支持的硬件特性，下一篇文章将会介绍FreeRTOS是怎样利用这些特性开启第一个任务的。