FreeRTOS STM32: rola przerwania xPortPendSVHandler w przełączaniu kontekstu

Pytanie

co robi przerwanie xPortPendSVHandler w freertos stm32

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• xPortPendSVHandler to procedura obsługi przerwania PendSV wykorzystywana przez FreeRTOS na STM32 do przełączania kontekstu zadań.
• Zapisuje stan aktualnego zadania, wybiera kolejne gotowe zadanie i przywraca jego kontekst, kończąc przerwaniem powrót już w nowym zadaniu.

Kluczowe punkty
• Najniższy priorytet – nie blokuje krytycznych przerwań.
• Wyzwalane programowo – bit PENDSVSET w SCB->ICSR.
• Obsługuje również rejestry FPU (M4F/M7/M33).

Szczegółowa analiza problemu

1. Teoretyczne podstawy
   • ARM Cortex‑M sprzętowo zapisuje na stos zadania rejestry R0‑R3, R12, LR, PC, xPSR.
   • xPortPendSVHandler w asemblerze dopisuje brakujące R4‑R11 (i S0‑S15 przy włączonym FPU), aktualizuje wskaźnik stosu w TCB oraz wybiera nowe zadanie (makro portSWITCH_CONTEXT()).

2. Przełączanie krok‑po‑kroku
   a) Scheduler ustawia SCB->ICSR |= SCB_ICSR_PENDSVSET_Msk;
   b) Po wyjściu z bieżących ISR CPU wejdzie w PendSV:
   – PUSH R4‑R11 ( + FPU S16‑S31 gdy aktywne).
   – ldr r0, =pxCurrentTCB / str sp, [r0] – zapisz SP.
   – Wywołanie vTaskSwitchContext() (C) lub makra w asm – wybór zadania.
   – ldr sp, [r0] / pop R4‑R11 – przywrócenie nowego SP i rejestrów.
   – bx lr – powrót już w kontekście nowego zadania.

3. Integracja ze STM32

   #define vPortSVCHandler     SVC_Handler
   #define xPortPendSVHandler  PendSV_Handler
   #define xPortSysTickHandler SysTick_Handler

   Makra łączą nazwy FreeRTOS z wektorami w startup_stm32*.s. Domyślne tusze HAL‑a należy usunąć lub przekierować.

4. FPU i TrustZone
   • Gdy configENABLE_FPU = 1, port zapisuje/odtwarza 32 rejestry S0–S31 (lub do S15 przy lazy stacking).
   • Dla MCU z TrustZone (Cortex‑M33) są dwa dodatkowe kroki: zapamiętanie strefy secur./non‑secur. i opcjonalne zapisywanie rejestrów SAU podczas przełączania.

Praktyczne zastosowania
• Preempcja (wypieranie) – zadanie o wyższym priorytecie może przerwać niższe.
• Tryb tick‑less – PendSV działa tak samo, tylko mniej wywołań SysTick.

Aktualne informacje i trendy

• FreeRTOS 2024‑LTS optymalizuje kod xPortPendSVHandler dla Armv8‑M i usprawnia obsługę FPU lazy‑save przy TrustZone.
• Coraz częściej używa się trace hooków (portSWITCHED_OUT_HOOK, portSWITCHED_IN_HOOK) do profilowania czasu przełączania bez modyfikacji samego handlera.
• Vendorzy (ST, NXP) dodają akceleratory RTOS‑owe (np. ST H7 ART) – zmniejsza to ilość cykli PendSV.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• PendSV musi mieć NAJNIŻSZY możliwy priorytet (np. 15 przy 4‑bit NVIC), inaczej może dojść do UsageFault po kolizji z innymi ISR.
• Stos zadania powinien mieć zapas (co najmniej +128 B względem obliczonego) – kontekst + wywołania funkcji w przerwaniu.

Przykład – pomiar czasu przełączania:

configUSE_TRACE_FACILITY 1
void portSWITCHED_OUT_HOOK( void )
{
    GPIOB->BSRR = GPIO_PIN_0;   // Set
}
void portSWITCHED_IN_HOOK( void )
{
    GPIOB->BRR  = GPIO_PIN_0;   // Clear
}

Oscyloskop pokaże szerokość impulsu ~x μs = czas PendSV.

Aspekty etyczne i prawne

• FreeRTOS pod MIT – obowiązek zachowania licencji w kodzie.
• Błędna konfiguracja stosów/przerwań może skutkować nie‑deterministycznym działaniem urządzenia krytycznego (np. medycznego) – należy przeprowadzać testy jed­nostkowe i analiza FMEA.

Praktyczne wskazówki

• Ustaw configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY < NVIC priorytet PendSV.
• Dla M4F: jeśli używasz FPU w zadaniu, koniecznie portENABLE_FPU() lub configENABLE_FPU 1.
• W diagnostyce HardFaultów sprawdzaj wartość LR = 0xFFFFFFFD lub ‑FE – jeśli przychodzą z PendSV, prawdopodobnie przepełniasz stos.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Lazy stacking FPU przy intensywnym użyciu zmiennoprzecinkowym może generować nieoczekiwane opóźnienia.
• W portach SMP (np. ESP32) PendSV nie istnieje – tam context switch przebiega inaczej; nie mylić.

Sugestie dalszych badań

• Analiza wpływu różnych algorytmów schedulera (EDF, RBED) na liczbę wywołań PendSV.
• Porównanie czasu przełączania między FreeRTOS a Zephyr‑RTOS na tym samym STM32.
• Eksperyment z Security Extension (ARMv8‑M) – minimalizacja czasu przełączania między strefami.

Krótkie podsumowanie

xPortPendSVHandler jest „sercem” wielozadaniowości FreeRTOS na STM32. Dzięki najniższemu priorytetowi i programowemu wyzwalaniu gwarantuje bezpieczne, deterministyczne oraz szybkie przełączanie kontekstu zadań. Poprawna konfiguracja priorytetów, rozmiarów stosów i opcji FPU jest krytyczna dla stabilności systemu.