前面文章两篇文章介绍了FreeRTOS的启动过程，但是有些问题还没有解决，在本篇文章中将会逐一解决。
首先，在《FreeRTOS内核源码解读之-------系统启动（一）》中提到Cortex-M4内核中两个不同的栈指针寄存器MSP和PSP。对于不具有嵌入式OS的应用，可以在操作中只使用MSP栈指针寄存器；对于含有嵌入式OS（就像FreeRTOS）应用，异常处理（包括内核状态下）使用的是MSP，对于应用任务使用的是PSP。每一个应用任务都有自己的栈空间，那么上面这种机制是怎么实现的呢？
还有FreeRTOS是一个多任务运行的操作系统，那么当一个任务正在运行时，会被优先级更高的任务或者中断打断，FreeRTOS是怎么保证被打断的任务在重新运行时不会出现问题？换句话说，如何实现保护现场、任务切换等？
本文从这两个问题触发，具体阐述FreeRTOS内核启动过程，在下一篇介绍FreeRTOS任务调度。
- 问题引入
- Cortex-M4对于多任务运行的硬件架构支持特性
一、问题引入
通过上一篇文章《FreeRTOS内核源码解读之-------系统启动（）》分析，我们知道FreeRTOS最后调用prvStartFirstTask产生一个SVC中断，产生SVC中断之后，在函数vPortSVCHandler进行有FreeRTOS内核态到用户态的切换。两个函数的代码如下：
__asm void prvStartFirstTask( void )
{
PRESERVE8
/* Cortext-M3硬件中,0xE000ED08地址处为VTOR(向量表偏移量)寄存器,存储向量表起始地址*/
ldr r0, =0xE000ED08
ldr r0, [r0]
/* 取出向量表中的第一项,向量表第一项存储主堆栈指针MSP的初始值*/
ldr r0, [r0]
/* 将堆栈地址存入主堆栈指针 */
msr msp, r0
/* 使能全局中断*/
cpsie i
cpsie f
dsb
isb
/* 调用SVC启动第一个任务 */
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从内核态切换到用户态时，是怎样切换MSP和PSP栈指针的呢？还有FreeRTOS是怎样找到应用任务的栈以及用户编写的应用程序的呢？
在函数prvStartFirstTask主要做的内容如下：
1）将堆栈地址存入主栈指针寄存器，在中断向量表中第一项是堆栈地址；
2）开中断；
3）产生一个SVC中断。
在函数prvStartFirstTask中设置了MSP主堆栈指针。
在函数vPortSVCHandler可以看到对寄存器进行了赋值，对PSP进行了赋值、然后进行程序跳转。那么猜测关于上面的疑问可以从这几句来寻求答案。
二、应用任务栈帧
在函数vPortSVCHandler中会看到这么一句 ldr r3, =pxCurrentTCB ，pxCurrentTCB变量存放的是当前需要运行任务的控制块。代码：
ldr r3, =pxCurrentTCB
ldr r1, [r3]
ldr r0, [r1]
具体作用是什么的？
首先看任务控制块中的内容（去掉各种条件编译）：
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;
去掉条件编译感觉好清爽，这里只是关注第一个成员变量，为了填充一下版面，请允许我这么做。关于任务控制块各成员变量的讲解，请关注我的另一篇文章 《FreeRTOS内核源码解读之-------任务创建》 。由此可知 ldr r3, =pxCurrentTCB 其实就是 ldr r3, =pxTopOfStack。那么，最后就是使得r0寄存器保存任务栈指针。
那么，任务栈里面存放的是什么呢？由于任务第一次运行，那么需要去任务创建函数中寻找一点蛛丝马迹。
任务创建函数调用过程如下：
xTaskCreate->prvInitialiseNewTask->pxPortInitialiseStack
从这里看出任务创建函数xTaskCreate，最终会调用pxPortInitialiseStack。函数pxPortInitialiseStack代码如下（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;
}
代码不是很多，就一句一句的分析一下吧。
1）*pxTopOfStack = portINITIAL_XPSR：栈顶保存了xPSR,且它的值为portINITIAL_XPSR，0x01000000。其实就是一个初始状态，其中的1表示Thumb状态。因为Cortex-M只有Thumb状态。
2）*pxTopOfStack = ( ( StackType_t ) pxCode ) & portSTART_ADDRESS_MASK ： portSTART_ADDRESS_MASK=0xfffffffe，pxCode保存的是任务函数的函数指针，就是我们用户编写的任务函数，这句就是保存任务跳转时的跳转地址，这里要求必须半字或者字对齐，因此需要&portSTART_ADDRESS_MASK。
3）*pxTopOfStack = ( StackType_t ) prvTaskExitError ：该数值是赋值给LR寄存器，保存任务出错处理函数指针，一般不会执行这个函数，因为我们的任务都是一个不能返回的死循环，因此不会执行。
4）pxTopOfStack -= 5：留出空间用于保存寄存器 R12, R3, R2 and R1。
5）*pxTopOfStack = ( StackType_t ) pvParameters：保存任务函数的参数。
6）*pxTopOfStack = portINITIAL_EXEC_RETURN：处理器进入异常处理或者中断模式的时候，连接寄存器的数值会被更新为portINITIAL_EXEC_RETURN，当我们使用BX或者LDR这类指令时，会将该数值写入程序寄存器，是用来触发异常返回机制。
7）pxTopOfStack -= 8：保存r4~r11。
通过上面分析，我们大体画出任务栈中保存的数据如下：
那么我们在回过来看一下函数vPortSVCHandler具体做了哪些事情：
1）将任务栈保存的R11-R4内容赋给寄存器R11-R4;
2）将portINITIAL_EXEC_RETURN赋给寄存器R14，主要是用于触发中断返回，也就是下面 bx r14 指令；
3）pvParameters 赋值给PSP寄存器。
那么现在就需要解决FreeRTOS运行用户任务时，MSP到PSP切换的问题。玄妙之处就是portINITIAL_EXEC_RETURN，上面说了将portINITIAL_EXEC_RETURN=0xfffffffd写入到R14寄存器（LR）之后，我们调用bx r14指令之后就会产生中断返回，通过查阅资料得到如下图：
正是写入的是0xfffffffd，所以中断返回的时候是的处理器进入处理模式，并且使用进程栈PSP寄存器。
总结: 本文主要解决了SVC中断处理函数中具体执行内容，和任务创建过程中任务栈中存放的数据。以及如何从MSP栈指针切换到PSP栈指针。下一篇文章将对FreeRTOS中任务切换进行讲解。