前面文章兩篇文章介紹了FreeRTOS的啓動過程，但是有些問題還沒有解決，在本篇文章中將會逐一解決。
首先，在《FreeRTOS內核源碼解讀之-------系統啓動（一）》中提到Cortex-M4內核中兩個不同的棧指針寄存器MSP和PSP。對於不具有嵌入式OS的應用，可以在操作中只使用MSP棧指針寄存器；對於含有嵌入式OS（就像FreeRTOS）應用，異常處理（包括內核狀態下）使用的是MSP，對於應用任務使用的是PSP。每一個應用任務都有自己的棧空間，那麼上面這種機制是怎麼實現的呢？
還有FreeRTOS是一個多任務運行的操作系統，那麼當一個任務正在運行時，會被優先級更高的任務或者中斷打斷，FreeRTOS是怎麼保證被打斷的任務在重新運行時不會出現問題？換句話說，如何實現保護現場、任務切換等？
本文從這兩個問題觸發，具體闡述FreeRTOS內核啓動過程，在下一篇介紹FreeRTOS任務調度。
- 問題引入
- Cortex-M4對於多任務運行的硬件架構支持特性
一、問題引入
通過上一篇文章《FreeRTOS內核源碼解讀之-------系統啓動（）》分析，我們知道FreeRTOS最後調用prvStartFirstTask產生一個SVC中斷，產生SVC中斷之後，在函數vPortSVCHandler進行有FreeRTOS內核態到用戶態的切換。兩個函數的代碼如下：
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
PRESERVE8
/* Cortext-M3硬件中,0xE000ED08地址處爲VTOR(向量表偏移量)寄存器,存儲向量表起始地址*/
ldr r0, =0xE000ED08
ldr r0, [r0]
/* 取出向量表中的第一項,向量表第一項存儲主堆棧指針MSP的初始值*/
ldr r0, [r0]
/* 將堆棧地址存入主堆棧指針 */
msr msp, r0
/* 使能全局中斷*/
cpsie i
cpsie f
dsb
isb
/* 調用SVC啓動第一個任務 */
svc 0
nop
nop
}
__asm void vPortSVCHandler( void )
{
PRESERVE8
ldr r3, =pxCurrentTCB
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]
ldmia r0!, {r4-r11, r14}
msr psp, r0
isb
mov r0, #0
msr basepri, r0
bx r14
}
首先FreeRTOS從內核態切換到用戶態時，是怎樣切換MSP和PSP棧指針的呢？還有FreeRTOS是怎樣找到應用任務的棧以及用戶編寫的應用程序的呢？
在函數prvStartFirstTask主要做的內容如下：
1）將堆棧地址存入主棧指針寄存器，在中斷向量表中第一項是堆棧地址；
2）開中斷；
3）產生一個SVC中斷。
在函數prvStartFirstTask中設置了MSP主堆棧指針。
在函數vPortSVCHandler可以看到對寄存器進行了賦值，對PSP進行了賦值、然後進行程序跳轉。那麼猜測關於上面的疑問可以從這幾句來尋求答案。
二、應用任務棧幀
在函數vPortSVCHandler中會看到這麼一句 ldr r3, =pxCurrentTCB ，pxCurrentTCB變量存放的是當前需要運行任務的控制塊。代碼：
ldr r3, =pxCurrentTCB
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]
具體作用是什麼的？
首先看任務控制塊中的內容（去掉各種條件編譯）：
typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t *pxTopOfStack;
ListItem_t xStateListItem;
ListItem_t xEventListItem;
UBaseType_t uxPriority;
StackType_t *pxStack;
char pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ];
} tskTCB;
去掉條件編譯感覺好清爽，這裏只是關注第一個成員變量，爲了填充一下版面，請允許我這麼做。關於任務控制塊各成員變量的講解，請關注我的另一篇文章 《FreeRTOS內核源碼解讀之-------任務創建》 。由此可知 ldr r3, =pxCurrentTCB 其實就是 ldr r3, =pxTopOfStack。那麼，最後就是使得r0寄存器保存任務棧指針。
那麼，任務棧裏面存放的是什麼呢？由於任務第一次運行，那麼需要去任務創建函數中尋找一點蛛絲馬跡。
任務創建函數調用過程如下：
xTaskCreate->prvInitialiseNewTask->pxPortInitialiseStack
從這裏看出任務創建函數xTaskCreate，最終會調用pxPortInitialiseStack。函數pxPortInitialiseStack代碼如下（下面就分析一下）：
StackType_t *pxPortInitialiseStack( StackType_t *pxTopOfStack, TaskFunction_t pxCode, void *pvParameters )
{
/* Simulate the stack frame as it would be created by a context switch
interrupt. */
/* Offset added to account for the way the MCU uses the stack on entry/exit
of interrupts, and to ensure alignment. */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR; /* xPSR */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK; /* PC */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = ( StackType_t ) prvTaskExitError; /* LR */
/* Save code space by skipping register initialisation. */
pxTopOfStack -= 5; /* R12, R3, R2 and R1. */
*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters; /* R0 */
/* A save method is being used that requires each task to maintain its
own exec return value. */
pxTopOfStack--;
*pxTopOfStack = portINITIAL_EXEC_RETURN;
pxTopOfStack -= 8; /* R11, R10, R9, R8, R7, R6, R5 and R4. */
return pxTopOfStack;
}
代碼不是很多，就一句一句的分析一下吧。
1）*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR：棧頂保存了xPSR,且它的值爲portINITIAL_XPSR，0x01000000。其實就是一個初始狀態，其中的1表示Thumb狀態。因爲Cortex-M只有Thumb狀態。
2）*pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK ： portSTART_ADDRESS_MASK=0xfffffffe，pxCode保存的是任務函數的函數指針，就是我們用戶編寫的任務函數，這句就是保存任務跳轉時的跳轉地址，這裏要求必須半字或者字對齊，因此需要&portSTART_ADDRESS_MASK。
3）*pxTopOfStack = ( StackType_t ) prvTaskExitError ：該數值是賦值給LR寄存器，保存任務出錯處理函數指針，一般不會執行這個函數，因爲我們的任務都是一個不能返回的死循環，因此不會執行。
4）pxTopOfStack -= 5：留出空間用於保存寄存器 R12, R3, R2 and R1。
5）*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters：保存任務函數的參數。
6）*pxTopOfStack = portINITIAL_EXEC_RETURN：處理器進入異常處理或者中斷模式的時候，連接寄存器的數值會被更新爲portINITIAL_EXEC_RETURN，當我們使用BX或者LDR這類指令時，會將該數值寫入程序寄存器，是用來觸發異常返回機制。
7）pxTopOfStack -= 8：保存r4~r11。
通過上面分析，我們大體畫出任務棧中保存的數據如下：
那麼我們在回過來看一下函數vPortSVCHandler具體做了哪些事情：
1）將任務棧保存的R11-R4內容賦給寄存器R11-R4;
2）將portINITIAL_EXEC_RETURN賦給寄存器R14，主要是用於觸發中斷返回，也就是下面 bx r14 指令；
3）pvParameters 賦值給PSP寄存器。
那麼現在就需要解決FreeRTOS運行用戶任務時，MSP到PSP切換的問題。玄妙之處就是portINITIAL_EXEC_RETURN，上面說了將portINITIAL_EXEC_RETURN=0xfffffffd寫入到R14寄存器（LR）之後，我們調用bx r14指令之後就會產生中斷返回，通過查閱資料得到如下圖：
正是寫入的是0xfffffffd，所以中斷返回的時候是的處理器進入處理模式，並且使用進程棧PSP寄存器。
總結: 本文主要解決了SVC中斷處理函數中具體執行內容，和任務創建過程中任務棧中存放的數據。以及如何從MSP棧指針切換到PSP棧指針。下一篇文章將對FreeRTOS中任務切換進行講解。