一、前提介绍
1.1 通用寄存器
在讲解调度原理之前，先看一下STM32内核通用寄存器，Cortex-M3和 Cortex-M4处理器的寄存器组中有16个寄存器，其中13个为32位通用目的寄存器，其他3个则有特殊用途
在进行其他的数据处理时，寄存器组中可以临时存储一些数据变量，而无须更新到系统存储器及在使用时将它们读回，这种方式一般被称作“加载一存储架构”
通用目的寄存器 R0-R7：被称为低组寄存器。所有指令都能访问它们。它们的字长全是 32 位，复位后的初始值是不可预料的
通用目的寄存器 R8-R12：被称为高组寄存器。这是因为只有很少的 16 位 Thumb 指令能访问它们，32位的指令则不受限制。它们也是 32 位字长，且复位后的初始值是不可预料的。
堆栈指针 R13：
主堆栈指针（MSP），或写作 SP_main。这是缺省的堆栈指针，它由 OS 内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用（用于无OS,应用程序/ISR）(复位后的默认堆栈指针)
进程堆栈指针（PSP），或写作 SP_process。用于常规的应用程序代码（不处于异常服用例程中时）（用于有OS，每个任务都有自己的任务栈）
若无RTOS就只有一个栈，有RTOS，STM32本身就有一个栈(MSP),RTOS在堆空间中还开辟了任务栈（任务创建时才有PSP）
R14,链接寄存器(LR)：用于函数或子程序调用时返回地址的保存。
若某函数需要调用另外一个函数或子程序，则它需要首先将LR的数值保存在栈中，否则，当执行了函数调用后，LR的当前值会丢失。
在异常/中断处理期间，LR也会被自动更新为特殊的EXC_RETURN(异常返回）数值，之后该数值会在异常处理结束时触发异常返回。
LR的第0位可以设定ARM内核的状态：ARM状态(0)/Thumb状态(1),但M3内核无ARM状态
程序计数器 R15：程序计数器，在汇编代码中你也可以使用名 PC 来访问它；指示当前程序执行位置，若是读取PC的话将返回当前指令的地址+4；
当程序PC指向Sort()函数执行时，会将Num++的地址保存在LR中，当printf()执行时，会将Q--的地址保存在LR中，在保存之前LR中原来的保存的Num++地址会压到MSP中。当printf()执行完毕后，Q--的地址会赋值给PC；当Q--执行完以后会将Num++的地址赋值给PC。
1.2 特殊功能寄存器
1.2.1中断屏蔽寄存器组
STM32有16(确切的说15)个异常，240个外部中断
PRIMASK寄存器（只有第0位有效）
<1> 第0位=1：阻止不可屏蔽中断(NMI)和HardFault异常之外的所有异常(包括中断)。
实际上，它是将当前异常优先级提升为0，这也是可编程异常/中断的最高优先级。
<2> 第0位=0：使能中断；
PRIMASK最常见的用途为，在时间要求很严格的进程中禁止所有中断，在该进程完成后，需要将PRIMASK清除以重新使能中断。
FAULTMASK寄存器 （只有第0位有效）
<1> 第0位=1：阻止不可屏蔽中断(NMI)之外的所有异常(包括中断)。
实际上,是将异常优先级提升到了-1。错误处理代码可以使用FAULTMASK以免在错误处理期间引发其他的错误。
<2> 第0位=0：使能中断；
与PRIMASK不同，FAULTMASK在异常返回时会被自动清除
BASEPRI寄存器
允许用户设置一个优先级阈值（BASEPRI的宽度取决于中断优先级位数），所有优先级数值大于或等于该阈值的中断将被屏蔽（即暂时禁止响应），而优先级低于阈值的中断仍可正常响应。这种机制提供了比全局中断开关（如PRIMASK）更灵活的中断控制方式，适用于需要动态调整中断响应优先级的场景。
CONTROL寄存器 （只能在特权模式下被修改）
<1>在 Cortex‐M3 的 handler 模式(中断模式)中，CONTROL[1]总是 0。在线程模式中则可以为 0 或 1。仅当处于特权级的线程模式下，此位才可写，其它场合下禁止写此位。改变处理器的模式也有其它的方式：在异常返回时，通过修改 LR 的位 2，也能实现模式切换。
<2> 仅当在特权级(特权级可以访问很多寄存器)下操作时才允许写CONTROL[0]位。一旦进入了用户级，唯一返回特权级的途径，就是触发一个（软）中断，再由服务例程改写该位。
1.3 操作模式
Cortex‐M3 支持 2 个模式和两个特权等级；当处理器处在线程状态下时，既可以使用特权级，也可以使用用户级；当处理器处在handler下时，总是特权级的。在复位后，处理器进入线程模式＋特权级。
1.4 双堆栈
当 CONTROL[1]=0 时，只使用 MSP，此时用户程序和异常 handler 共享同一个堆栈。这也是复位后的默认
当 CONTROL[1]=1 时，线程模式将不再使用 MSP，而改用 PSP（handler 模式永远使用MSP）此时，进入异常时的自动压栈使用的是进程堆栈，进入异常 handler 后才自动改为 MSP，退出异常时切换回 PSP，并且从进程堆栈上弹出数据
由于中断服务函数不是任务，中断服务函数使用的栈一定为主堆栈，通过MSP访问
二、FreeRTOS任务创建
2.1任务TCB核心成员
typedef struct tskTaskControlBlock
{
volatile StackType_t * pxTopOfStack ; //uint32_t *用于保存栈的栈顶的指针
ListItem_t xStateListItem ; //状态列表项【链表节点】，还未插入链表
ListItem_t xEventListItem ; //事件列表项【链表节点】，还未插入链表
UBaseType_t uxPriority ; //任务优先级
StackType_t * pxStack ; //任务栈底
char pcTaskName[configMAX_TASK_NAME_LEN] ; //保存任务名
#if ( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
volatile uint32_t ulNotifiedValue[configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES];
volatile uint8_t ucNotifyState[configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
#endif
} tskTCB;
typedef tskTCB TCB_t;<1>pxTopOfStack
作用：指向任务堆栈的栈顶指针，用于保存和恢复任务上下文（如寄存器值）。
关键性：必须是TCB的第一个成员，因为FreeRTOS内核直接通过指针偏移量访问该字段，确保上下文切换效率。
<2>任务状态与事件管理
xStateListItem ：用于将任务挂接到就绪、阻塞或挂起队列。
xEventListItem ：用于将任务挂接到事件队列（如队列、信号量）。
工作原理：
当任务就绪时， xStateListItem 被添加到就绪列表；
当任务等待事件时， xEventListItem 被添加到对应事件的等待列表
<3> 优先级管理
uxPriority ：存储任务优先级（数值越大优先级越高）。
调度依据：调度器根据 uxPriority 决定任务执行顺序，支持动态优先级调整（通vTaskPrioritySet() 函数）
<4>栈信息
pxStack ：指向任务栈的起始地址（栈底）。pxEndOfStack （可选）：指向栈尾，用于检测栈溢出（需配置configRECORD_STACK_HIGH_ADDRESS ）
<5> 任务名称
pcTaskName ：字符数组，存储任务名称（字符串形式），用于调试和日志记录。
<6> 任务通知
configUSE_TASK_NOTIFICATIONS 是一个编译时配置选项，用于启用或禁用任务通知（Task Notifications）功能。
当该选项设置为 1 时，FreeRTOS会在任务控制块（TCB）中添加与任务通知相关的字段，以支持轻量级的任务间通信机制。
①ulNotifiedValue
类型： volatile uint32_t 数组（大小为configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ）
作用：存储任务通知的值。每个通知可以携带一个32位无符号整数（如状态码、数据指针等）
②ucNotifyState
作用：记录每个通知的当前状态，可能的取值包括：
taskNOT_WAITING_NOTIFICATION （0）：任务未等待通知
taskWAITING_NOTIFICATION （1）：任务正在等待通知（如阻塞在ulTaskNotifyTake()
taskNOTIFICATION_RECEIVED （2）：任务已收到通知，但尚未处理
2.2 任务创建 /初始化
创建任务
BaseType_t xTaskCreate( TaskFunction_t pxTaskCode,
const char * const pcName,
const configSTACK_DEPTH_TYPE usStackDepth,
void * const pvParameters,
UBaseType_t uxPriority,
TaskHandle_t * const pxCreatedTask )
{
TCB_t * pxNewTCB; //<1> 定义一个TCB_T指针，保存后期从堆区申请TCB空间地址
BaseType_t xReturn; //<2> 定义返回值变量
#if ( portSTACK_GROWTH > 0 )
{
.......//此部分代码是栈从低地址向高地址增长
}
#else //此部分代码是栈从高地址向低地址增长:STM32栈空间使用这种
{
StackType_t * pxStack; //<3> 定义任务栈底指针，因为FreeRTOS从自己管理的堆中分配，首地址为低地址
pxStack = pvPortMallocStack( ( ( ( size_t ) usStackDepth ) * sizeof( StackType_t ) ) ); //<4> 为当前创建的任务分配栈空间，大小=usStackDepth*4
if( pxStack != NULL ) //如果栈空间分配成功
{
pxNewTCB = ( TCB_t * ) pvPortMalloc( sizeof( TCB_t ) ); //<5> 继续从FreeRTOS管理的空间中分配TCB_T大小的空间，该空间用于保存当前创建的任务信息
if( pxNewTCB != NULL )
{
/* Store the stack location in the TCB. */
pxNewTCB->pxStack = pxStack; //<6> 如果TCB空间开辟成功，则将任务栈底指针保存至TCB成员中的pxStack
}
else
{
vPortFreeStack( pxStack ); //<7> 如果TCB空间开辟失败，则释放之前申请的任务栈空间
}
}
else
{
pxNewTCB = NULL;
}
}
#endif
if( pxNewTCB != NULL )
{
#if ( tskSTATIC_AND_DYNAMIC_ALLOCATION_POSSIBLE != 0 )
{
.......
}
#endif
//<8> 如果任务栈和TCB空间都分配成功，则使用下面函数来初始化当前任务
prvInitialiseNewTask( pxTaskCode, pcName, ( uint32_t ) usStackDepth, pvParameters, uxPriority, pxCreatedTask, pxNewTCB, NULL );
prvAddNewTaskToReadyList( pxNewTCB ); //<9> 将新任务添加到就绪列表
xReturn = pdPASS; //<10> 返回pdPASS
}
else
{
xReturn = errCOULD_NOT_ALLOCATE_REQUIRED_MEMORY;
}
return xReturn;
}初始化任务
static void prvInitialiseNewTask( TaskFunction_t pxTaskCode,
const char * const pcName,
const uint32_t ulStackDepth,
void * const pvParameters,
UBaseType_t uxPriority,
TaskHandle_t * const pxCreatedTask,
TCB_t * pxNewTCB,
const MemoryRegion_t * const xRegions )
{
StackType_t * pxTopOfStack; //<1> 定义栈顶指针，用于保存从FreeRTOS管理的堆区申请的任务栈的栈顶
UBaseType_t x;
//<块1>：设置栈顶指针并向8Byte对齐
#if ( portSTACK_GROWTH < 0 ) //栈生长方向：由高到低生长
{
pxTopOfStack = &( pxNewTCB->pxStack[ ulStackDepth - ( uint32_t ) 1 ] );//<2> 栈顶指针赋值：栈顶位置为pxStack[ulStackDepth - 1]
pxTopOfStack = ( StackType_t * ) ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) pxTopOfStack ) & ( ~( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) ) );
/*<3> 栈指针对齐的关键操作pxTopOfStack = pxTopOfStack & ~portBYTE_ALIGNMENT_MASK=pxTopOfStack & ~0x0007注意：STM32处理器的栈为8Byte对齐*/
configASSERT( ( ( ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) pxTopOfStack & ( portPOINTER_SIZE_TYPE ) portBYTE_ALIGNMENT_MASK ) == 0UL ) );
#else //栈生长方向：由低到高生长
{
}
#endif
//<块2> 设置任务名称
if( pcName != NULL )
{
//<4> 循环将pcName的字符填入到pxNewTCB->pcTaskName中
for( x = ( UBaseType_t ) 0; x < ( UBaseType_t ) configMAX_TASK_NAME_LEN; x++ )
{
pxNewTCB->pcTaskName[ x ] = pcName[ x ];
if( pcName[ x ] == ( char ) 0x00 )
{
break;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
//<5> 字符串结束标志
pxNewTCB->pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN - 1 ] = '\0';
}
else
{
pxNewTCB->pcTaskName[ 0 ] = 0x00;
}
//<块3>：任务优先级设置
configASSERT( uxPriority < configMAX_PRIORITIES );
if( uxPriority >= ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES )
{
//<6> 如果任务优先级超出设定的最大值，则当前任务优先级为最大值-1
uxPriority = ( UBaseType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( UBaseType_t ) 1U;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
pxNewTCB->uxPriority = uxPriority;
#if ( configUSE_MUTEXES == 1 )
{
pxNewTCB->uxBasePriority = uxPriority;
pxNewTCB->uxMutexesHeld = 0;
}
#endif
//<块4>：初始化状态列表项 和 事件列表项
vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xStateListItem ) );
//<1> 设置状态列表项的的所属容器为NULL
vListInitialiseItem( &( pxNewTCB->xEventListItem ) );
//<2> 设置事件列表项的的所属容器为NULL；
listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xStateListItem ), pxNewTCB );
//<3> 设置状态链表项节点的所属对象为当前任务
listSET_LIST_ITEM_VALUE( &( pxNewTCB->xEventListItem ), ( TickType_t ) configMAX_PRIORITIES - ( TickType_t ) uxPriority );
//<4> 设置事件列表项节点的值=configMAX_PRIORITIES - uxPriority
listSET_LIST_ITEM_OWNER( &( pxNewTCB->xEventListItem ), pxNewTCB );
//<5> 设置事件链表项节点的所属对象为当前任务
#if ( portCRITICAL_NESTING_IN_TCB == 1 )
{
pxNewTCB->uxCriticalNesting = ( UBaseType_t ) 0U;
}
#endif /* portCRITICAL_NESTING_IN_TCB */
#if ( configUSE_APPLICATION_TASK_TAG == 1 )
{
pxNewTCB->pxTaskTag = NULL;
}
#endif /* configUSE_APPLICATION_TASK_TAG */
#if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
{
pxNewTCB->ulRunTimeCounter = ( configRUN_TIME_COUNTER_TYPE ) 0;
}
#endif /* configGENERATE_RUN_TIME_STATS */
#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
{
vPortStoreTaskMPUSettings( &( pxNewTCB->xMPUSettings ), xRegions, pxNewTCB->pxStack, ulStackDepth );
}
#else
{
/* Avoid compiler warning about unreferenced parameter. */
( void ) xRegions;
}
#endif
#if ( configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS != 0 )
{
memset( ( void * ) &( pxNewTCB->pvThreadLocalStoragePointers[ 0 ] ), 0x00, sizeof( pxNewTCB->pvThreadLocalStoragePointers ) );
}
#endif
#if ( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
{
memset( ( void * ) &( pxNewTCB->ulNotifiedValue[ 0 ] ), 0x00, sizeof( pxNewTCB->ulNotifiedValue ) );
memset( ( void * ) &( pxNewTCB->ucNotifyState[ 0 ] ), 0x00, sizeof( pxNewTCB->ucNotifyState ) );
}
#endif
#if ( configUSE_NEWLIB_REENTRANT == 1 )
{
/* Initialise this task's Newlib reent structure.
* See the third party link http://www.nadler.com/embedded/newlibAndFreeRTOS.html
* for additional information. */
_REENT_INIT_PTR( ( &( pxNewTCB->xNewLib_reent ) ) );
}
#endif
#if ( INCLUDE_xTaskAbortDelay == 1 )
{
pxNewTCB->ucDelayAborted = pdFALSE;
}
#endif
#if ( portUSING_MPU_WRAPPERS == 1 )
{
#if ( portHAS_STACK_OVERFLOW_CHECKING == 1 )
{
#if ( portSTACK_GROWTH < 0 )
{
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxNewTCB->pxStack, pxTaskCode, pvParameters, xRunPrivileged );
}
#else /* portSTACK_GROWTH */
{
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxNewTCB->pxEndOfStack, pxTaskCode, pvParameters, xRunPrivileged );
}
#endif /* portSTACK_GROWTH */
}
#else /* portHAS_STACK_OVERFLOW_CHECKING */
{
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters, xRunPrivileged );
}
#endif /* portHAS_STACK_OVERFLOW_CHECKING */
}
#else /* portUSING_MPU_WRAPPERS */
{
#if ( portHAS_STACK_OVERFLOW_CHECKING == 1 )
{
#if ( portSTACK_GROWTH < 0 )
{
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxNewTCB->pxStack, pxTaskCode, pvParameters );
}
#else /* portSTACK_GROWTH */
{
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxNewTCB->pxEndOfStack, pxTaskCode, pvParameters );
}
#endif /* portSTACK_GROWTH */
}
#else /* portHAS_STACK_OVERFLOW_CHECKING */
{
pxNewTCB->pxTopOfStack = pxPortInitialiseStack( pxTopOfStack, pxTaskCode, pvParameters );
}
#endif /* portHAS_STACK_OVERFLOW_CHECKING */
}
#endif /* portUSING_MPU_WRAPPERS */
if( pxCreatedTask != NULL )
{
//pxCreatedTask:任务句柄，传出参数，本质为新创建的任务的TCB的指针
*pxCreatedTask = ( TaskHandle_t ) pxNewTCB;
}
else
{
mtCOVERAGE_TEST_MARKER();
}
}
我的理解：
当创建任务时，FreeRTOS系统会在自己管理的堆区中开辟：
任务的任务栈空间，大小为( ( size_t ) usStackDepth ) * sizeof( StackType_t )；
以及对应TCB的所需要的空间并将TCB的地址赋值给变量pxNewTCB；
由于任务栈是向下生长(向低地址)且申请栈空间返回低地址，
会将任务栈的栈底地址赋值给TCB中的pxStack变量；
并将任务栈的栈顶地址赋值给prvInitialiseNewTask中的变量pxTopOfStack；
pxTopOfStack是任务运行时的当前栈顶指针，会随着任务的执行（压栈/弹栈）动态变化
TCB 所持有的内存空间不是栈，而是用于管理任务元数据的固定大小的数据结构体存储区
2.3 入栈
当CM3开始响应一个中断时，会在它看不见的体内奔涌起三股暗流
<1> 入栈：把8个寄存器的值压入栈
<2> 取向量：从向量表中找出对应的服务程序入口地址
<3> 选择堆栈指针MSP/PSP，更新堆栈指针SP，更新连接寄存器LR，更新程序计数器PC
响应异常的第一个行动，就是自动保存现场的必要部分：依次把xPSR, PC, LR, R12以及R3‐R0由硬件自动压入适当的堆栈中：如果当响应异常时，当前的代码正在使用PSP，则压入PSP，即使用线程堆栈；否则压入MSP，使用主堆栈。一旦进入了服务例程，就将一直使用主堆栈
入栈在机器的内部，并不是严格按堆栈操作的顺序的——但是机器会保证：正确的寄存器将被保存到正确的位置。先把PC与xPSR的值保存，就可以更早地启动服务例程指令的预取——因为这需要修改PC；同时，也做到了在早期就可以更新xPSR中IPSR位段的值。
2.4 取向量
当数据总线（系统总线）正在为入栈操作而忙得团团转时，指令总线（I‐Code总线）可不是凉快地坐着看热闹——它正在为响应中断紧张有序地执行另一项重要的任务：从向量表中找出正确的异常向量，然后在服务程序的入口处预取指。由此可以看到各自都有专用总线的好处：入栈与取指这两个工作能同时进行
2.5 更新寄存器
在入栈和取向量的工作都完毕之后，执行服务例程之前，还要更新一系列的寄存器
<1> SP：在入栈中会把堆栈指针（PSP或MSP）更新到新的位置。在执行服务例程后，将由MSP负责对堆栈的访问。
<2> PSR：IPSR位段（地处PSR的最低部分）会被更新为新响应的异常编号。
<3> PC：在向量取出完毕后，PC将指向服务例程的入口地址。
<4> LR：LR的用法将被重新解释，其值也被更新成一种特殊的值，称为“EXC_RETURN”，并且在异常返回时使用。EXC_RETURN的二进制值除了最低4位外全为1，而其最低4位则有另外的含义。
2.6 异常返回
在进入异常服务程序后，LR的值被自动更新为特殊的EXC_RETURN，这是一个高28位全为1的值，只有[3:0]的值有特殊含义。当异常服务例程把这个值送往PC时，就会启动处理器的中断返回序列。因为LR的值是由CM3自动设置的，所以只要没有特殊需求，就不要改动它
<1>当没有中断发生时，LR寄存器用于保存进入函数前的下一条语句的地址，当函数执行完用于返回
<2>当有中断发生时而没有OS时(如图1所示)，若没有OS主堆栈指针位MSP，当中断事件时，LR=0XFFFF_FFF9，主堆栈指针为MSP(Handler模式)，中断进行嵌套时，LR=0XFFFF_FFF1...
<3>当有中断发生时有OS时(如图1所示，将线程模式替换为进程模式)，有OS主堆栈指针位PSP，当中断事件时，LR=0XFFFF_FFF9，主堆栈指针为MSP(Handler模式)，中断进行嵌套时，LR=0XFFFF_FFF1...
2.7 就绪链表
FreeRTOS会将相同优先级的任务放在相同的链表中，这些链表会由就绪链表数组来管理，这个数组的每个元素对应一个优先级的就绪链表，调度器在切换任务时，会遍历这个数组，找到最高优先级的非空就绪链表，并从中选择下一个要执行的任务
三、任务调度
在 FreeRTOS（运行于 STM32，基于 ARM Cortex-M 内核）中，SVC、SysTick 和 PendSV 是三个关键的系统异常（异常号分别为 11、15、14），它们共同协作实现任务调度、上下文切换和系统心跳
当调用 vTaskStartScheduler()时，FreeRTOS会创建两个任务，一个是空闲任务，一个是软件定时器服务任务；若是一个任务被另一个任务删除，则被删除的任务资源会立即释放，若是一个任务删除它自身，则空闲任务释放这个被删除任务的资源；
首次调度任务时,系统通常通过 SVC 指令触发 SVC 异常，在特权模式下初始化任务的栈和寄存器状态
SysTick系统定时器提供系统时间基准(通常配置为 1ms 或 10ms)，驱动 FreeRTOS 的时间片调度和延时函数;在 SysTick 中断服务程序（ISR）中，检查是否需要切换任务（如时间片用完或更高优先级任务就绪
PendSV 是用于在中断（如 SysTick）退出后执行实际的任务上下文切换，避免在中断中直接切换导致不可预测的延迟。
注意：在开启调度时(xPortStartScheduler( )），FreeRTOS会将PendSV以及SysTick中断优先级设置为最低；系统自动的通过vPortSetupTimerInterrupt()函数设定中断频率