3.5.10 os_kernel_start 与 k_start 详解

学习阁2026/4/29大约 7 分钟启动流程初始化PRE_KERNEL_2调度器上下文切换PendSV

3.5.10 os_kernel_start 与 k_start 详解

📚 本节导读

学习时长: 约 35 分钟

难度级别: ⭐⭐⭐⭐☆（中高级）

前置知识:

3.5.9 _k_sys_task_init 函数详解
3.5.5 k_sched_init 函数详解
Cortex-M PendSV 异常机制基础知识

🎯 学习目标

理解 os_kernel_start 与 os_kernel_init 的分工
理解 PRE_KERNEL_2 级别的作用
掌握 k_start 的完整流程
理解 os_first_task_start 的汇编实现
理解 PendSV 上下文切换的完整过程
理解调度器启动前后的系统状态变化

一、函数概述

1.1 函数定位

os_kernel_start 是 OneOS 调度器启动前的最后一步。它由 $Sub$$main（或 entry）调用，在 os_kernel_init 之后执行。执行完成后，系统从"内核初始化"阶段进入"多任务调度"阶段——这是一个不可逆的分水岭。

1.2 基本信息

属性	值
函数名	`os_kernel_start`
源文件	`kernel/source/os_startup.c`（第 283-290 行）
调用方	`$Sub$$main` / `entry`（`drivers/driver.c` 第 182-183 行）
调用时机	`os_kernel_init` 之后
执行环境	中断上下文（PRIMASK=0，允许中断）

1.3 与 os_kernel_init 的分工

对比维度	`os_kernel_init`	`os_kernel_start`
执行阶段	调度器启动前	调度器启动前
核心工作	初始化内核组件、创建三大系统任务	启动调度器，开始多任务
调用 `_k_run_init_call`	PRE_KERNEL_1	PRE_KERNEL_2
返回值	无	无（永不返回）
之后系统状态	单任务（主调用栈）	多任务（各有独立栈）

二、完整代码

2.1 os_kernel_start（第 283-290 行）

void os_kernel_start(void)
{
    /* pre kernel 2 init call */
    _k_run_init_call(OS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2);

    /* start first task */
    k_start();
}

2.2 调用链

$Sub$$main() / entry()                  ← drivers/driver.c
  ├─ os_kernel_init()                   ← 初始化内核组件（3.5.1~3.5.9）
  └─ os_kernel_start()                  ← 这里
       ├─ _k_run_init_call(PRE_KERNEL_2) ← 调度器前最后一级初始化
       └─ k_start()                     ← 启动调度器
            ├─ g_os_next_task = g_os_high_task
            └─ os_first_task_start()    ← 汇编，触发首次上下文切换
                 └─ PendSV_Handler      ← 恢复 sys_task 的栈帧

三、分步详解

第一步：PRE_KERNEL_2 初始化

_k_run_init_call(OS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2);

3.1 实际注册情况

在 STM32F103ZET6 项目中，PRE_KERNEL_2 级别只有标记函数，没有用户注册的初始化函数：

.init_call.2.""  →  pre_kernel_2_start  ← 仅标记函数，直接 return OS_SUCCESS

来源 project.map：

.init_call.2.""    0x080227c0   Section  8  os_startup.o(.init_call.2."")

为什么只有标记函数？

PRE_KERNEL_2 是留给用户在调度器启动前执行最后一刻初始化的扩展点。如果用户需要在多任务开始前做某些操作（如配置 MPU、设置最后的外设状态），可以在此级别注册函数。

3.2 标记函数的作用

从 os_startup.c 可以看到：

static os_err_t pre_kernel_2_start(void)
{
    return OS_SUCCESS;
}
OS_INIT_CALL(pre_kernel_2_start, OS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2, "");

这些标记函数的作用是在链接器中创建段边界符号。_k_run_init_call 通过 gs_init_call_table 中的指针遍历函数数组，标记函数确保了数组的起始和结束边界清晰。

第二步：k_start() 启动调度器

来源: kernel/source/os_sched.c

void k_start(void)
{
#ifdef OS_USING_SMP
    // ... SMP 初始化 ...
#else
    g_os_next_task = g_os_high_task;
#endif

    os_first_task_start();

    /* Never come back. */
    return;
}

3.3 关键全局变量

变量	类型	说明
`g_os_current_task`	`os_task_t *`	当前正在运行的任务，初始为 `OS_NULL`
`g_os_next_task`	`os_task_t *`	下一个要运行的任务
`g_os_high_task`	`os_task_t *`	当前最高优先级任务（调度器缓存）

3.4 g_os_high_task 指向谁？

在 k_start 调用前，g_os_high_task 已经通过 _k_sys_task_init 中被设置为 sys_task。具体过程：

_k_sys_task_init → os_task_create → _k_task_init → k_sched_readyq_put(task) → 放入就绪队列
k_sched_readyq_put 内部比较优先级，如果新任务优先级最高，更新 g_os_high_task
sys_task 优先级为 0（最高），所以 g_os_high_task 指向 sys_task

// 就绪队列中的任务（按优先级）：
// 优先级 0:  sys_task     ← g_os_high_task 指向这里
// 优先级 1:  timer_task   ← 如果启用了哈希桶定时器
// 优先级 7:  recycle_task
// 优先级 31: idle_task

3.5 os_first_task_start() 汇编详解

来源: arch/arm/armv7m/rvds/arch_task_switch_rvds.S

os_first_task_start    PROC
    ; 1. 设置 PendSV 和 SysTick 优先级
    LDR     R0, =NVIC_SYSPRI2
    LDR     R1, =NVIC_PENDSV_PRI :OR: NVIC_SYSTICK_PRI
    LDR.W   R2, [R0,#0x00]              ; 读取原值
    ORR     R1, R1, R2                  ; 合并
    STR     R1, [R0]                    ; 写回

    ; 2. 清除 FPU 上下文（如有 FPU）
    IF {FPU} != "SoftVFP"
        MRS     R2, CONTROL
        BIC     R2, #0x04               ; 清除 CONTROL.FPCA
        MSR     CONTROL, R2
    ENDIF

    ; 3. 恢复 MSP（中断栈指针）
    LDR     R0, =interrupt_stack_addr
    LDR     R0, [R0]
    MSR     MSP, R0

    ; 4. 触发 PendSV 异常
    LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     R1, [R0]

    ; 5. 开启中断
    CPSIE   F
    CPSIE   I

    ; 6. 永不抵达此处
    B .
    ENDP

分步解释：

步骤	指令	作用
1	设置 PendSV/SysTick 优先级	将 PendSV 和 SysTick 设为最低优先级（0xFF），确保它们不会抢占其他中断
2	清除 FPU 上下文	首次启动时不应该有 FPU 上下文，主动清除
3	恢复 MSP	将中断栈指针恢复到初始值，防止栈溢出
4	触发 PendSV	写 `NVIC_INT_CTRL` 的 bit28，触发 PendSV 异常
5	开启中断	`CPSIE F` + `CPSIE I` 开启 Fault 和普通中断
6	`B .`	永不抵达——PendSV 触发后直接进入异常处理

为什么触发 PendSV 而不是直接跳转？

PendSV（可挂起系统调用）是 Cortex-M 专门为 RTOS 上下文切换设计的异常：

优先级最低（0xFF），确保不抢占其他中断
可以被挂起，等所有高优先级中断处理完后再执行
硬件自动保存/恢复部分寄存器（R0-R3, R12, LR, PC, PSR）
软件只需保存/恢复 R4-R11

第三步：PendSV_Handler 上下文切换

来源: arch/arm/armv7m/rvds/arch_task_switch_rvds.S

PendSV_Handler   PROC
    ; 关中断保护上下文切换过程
    MRS     R12, PRIMASK
    CPSID   I

    ; 如果是首次启动（g_os_current_task == OS_NULL），跳过保存
    LDR     R1,  =g_os_current_task
    LDR     R0,  [R1]
    CBZ     R0,  switch_to_task         ; 首次启动时 R0 = OS_NULL

    ; === 保存当前任务上下文 ===
    MRS     R3,  PSP
    ; 保存 FPU 寄存器（如有）
    IF {FPU} != "SoftVFP"
        TST      LR,  #0x10
        VSTMFDEQ R3!, {D8 - D15}
    ENDIF
    STMFD   R3!, {R4 - R11, LR}         ; 保存 R4-R11, LR
    STR     R3,  [R0, #0]               ; 更新 task->stack_top

    ; 任务切换通知回调（可选）
    IF :DEF:OS_TASK_SWITCH_NOTIFY
    PUSH    {R1, R12}
    BL      os_task_switch_notify
    POP     {R1, R12}
    ENDIF

switch_to_task
    ; === 恢复下一个任务上下文 ===
    LDR     R3, =g_os_next_task
    LDR     R2,  [R3]                   ; R2 = g_os_next_task
    LDR     R3,  [R2, #0]               ; R3 = task->stack_top
    LDMFD   R3!, {R4 - R11, LR}         ; 恢复 R4-R11, LR
    ; 恢复 FPU 寄存器（如有）
    IF {FPU} != "SoftVFP"
        TST      LR,  #0x10
        VLDMFDEQ R3!, {D8 - D15}
    ENDIF
    MSR     PSP, R3                     ; 恢复 PSP

    ; 更新当前任务指针
    STR     R2,  [R1]                   ; g_os_current_task = g_os_next_task

    ; 恢复中断
    MSR     PRIMASK, R12

    BX      LR                          ; 异常返回，硬件恢复 R0-R3,R12,LR,PC,PSR
    ENDP

3.6 首次启动的特殊路径

首次调用 PendSV_Handler 时：

g_os_current_task = OS_NULL  →  CBZ R0, switch_to_task  →  跳过保存

直接跳到 switch_to_task，恢复 g_os_next_task（即 sys_task）的栈帧：

从 g_os_next_task->stack_top 恢复 PSP
从 PSP 弹出 R4-R11, LR
g_os_current_task = g_os_next_task
BX LR 异常返回 → 硬件自动恢复 R0-R3, R12, LR, PC, PSR
PC 指向 sys_task 的入口函数 _k_sys_task_entry

3.7 后续上下文切换（正常路径）

后续任务切换时（非首次）：

g_os_current_task ≠ OS_NULL  →  保存当前任务栈帧  →  恢复下一个任务栈帧

四、完整流程图

os_kernel_start()
  │
  ├─ _k_run_init_call(PRE_KERNEL_2)
  │    └─ pre_kernel_2_start()  ← 标记函数，直接返回
  │
  └─ k_start()
       ├─ g_os_next_task = g_os_high_task (sys_task)
       │
       └─ os_first_task_start()           ← 汇编
            ├─ 设置 PendSV/SysTick 优先级为最低
            ├─ 清除 FPU 上下文
            ├─ 恢复 MSP
            ├─ 触发 PendSV 异常
            ├─ CPSIE F / CPSIE I          ← 开启中断
            │
            └─ PendSV_Handler()            ← 异常入口
                 ├─ g_os_current_task == OS_NULL? → 跳过保存
                 ├─ 从 g_os_next_task->stack_top 恢复 PSP
                 ├─ 弹出 R4-R11, LR
                 ├─ g_os_current_task = g_os_next_task
                 └─ BX LR                  ← 异常返回
                      │
                      └─ 硬件恢复 R0-R3, R12, LR, PC, PSR
                           │
                           └─ PC = _k_sys_task_entry  ← 开始执行 sys_task！

五、在启动流程中的位置

5.1 完整启动流程

复位
  ↓
Reset_Handler → SystemInit → __main → $Sub$$main
  ↓
os_kernel_init()                          ← 3.5.1 ~ 3.5.9
  ├─ PRE_KERNEL_1 初始化
  ├─ 内核组件初始化（tickq, sched, timer, recycle, idle）
  └─ _k_sys_task_init() → 创建 sys_task（优先级 0）
  ↓
os_kernel_start()                         ← 本节（3.5.10）
  ├─ PRE_KERNEL_2 初始化
  └─ k_start() → 启动调度器
       ↓
  [sys_task 开始运行]                     ← 调度器已启动
  └─ _k_sys_task_entry()
       ├─ POST_KERNEL 初始化             ← 3.5.11
       ├─ PRE_DEVICE 初始化              ← 3.5.12
       ├─ DEVICE 初始化                  ← 3.5.13
       ├─ COMPONENT 初始化               ← 3.5.14
       ├─ APPLICATION 初始化             ← 3.5.15
       └─ app_entry() → main()

5.2 调度器启动前后的系统状态变化

维度	启动前	启动后
执行模式	特权线程模式（MSP）	特权线程模式（PSP）
栈	主栈（MSP）	各任务独立栈（PSP）
任务调度	无	有（优先级抢占）
`g_os_current_task`	`OS_NULL`	指向 sys_task
SysTick	已配置但未启动	PendSV 中首次启动
中断	PRIMASK=0	PRIMASK=0

💡 本节总结

重点回顾

os_kernel_start 两步走：PRE_KERNEL_2 初始化 → k_start() 启动调度器
PRE_KERNEL_2 在本项目中为空：只有标记函数，是用户扩展点
k_start 三步：设置 g_os_next_task → os_first_task_start 触发 PendSV → PendSV 恢复 sys_task 栈帧
首次启动的特殊路径：g_os_current_task == OS_NULL，跳过保存，直接恢复
PendSV 优先级最低：确保不抢占其他中断，上下文切换在"安全时刻"进行
调度器启动是不可逆的分水岭：之后系统进入多任务调度模式

关键符号说明

符号	来源	说明
`g_os_current_task`	`os_sched.c`	当前正在运行的任务指针
`g_os_next_task`	`os_sched.c`	下一个要运行的任务指针
`g_os_high_task`	`os_sched.c`	最高优先级任务缓存
`PendSV_Handler`	`arch_task_switch_rvds.S`	上下文切换的汇编实现
`os_first_task_start`	`arch_task_switch_rvds.S`	首次启动的汇编入口

下一步

接下来请学习：

3.5.11 POST_KERNEL 阶段详解 - sys_task 中的第一个初始化级别