一步步寫STM32 OS【三】PendSV與堆棧操作

一、什么是PendSV

PendSV是可懸起異常，如果我們把它配置最低優(yōu)先級(jí)，那么如果同時(shí)有多個(gè)異常被觸發(fā)，它會(huì)在其他異常執(zhí)行完畢后再執(zhí)行，而且任何異常都可以中斷它。更詳細(xì)的內(nèi)容在《Cortex-M3 權(quán)威指南》里有介紹，下面我摘抄了一段。

OS 可以利用它“緩期執(zhí)行”一個(gè)異?！钡狡渌匾娜蝿?wù)完成后才執(zhí)行動(dòng) 作。懸起 PendSV 的方法是：手工往 NVIC的 PendSV懸起寄存器中寫 1。懸起后，如果優(yōu)先級(jí)不夠 高，則將緩期等待執(zhí)行。

PendSV的典型使用場(chǎng)合是在上下文切換時(shí)（在不同任務(wù)之間切換）。例如，一個(gè)系統(tǒng)中有兩個(gè)就緒的任務(wù)，上下文切換被觸發(fā)的場(chǎng)合可以是：
1、執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用
2、系統(tǒng)滴答定時(shí)器（SYSTICK）中斷，（輪轉(zhuǎn)調(diào)度中需要）

讓我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)輔助理解。假設(shè)有這么一個(gè)系統(tǒng)，里面有兩個(gè)就緒的任務(wù)，并且通過(guò)SysTick異常啟動(dòng)上下文切換。但若在產(chǎn)生 SysTick 異常時(shí)正在響應(yīng)一個(gè)中斷，則 SysTick異常會(huì)搶占其 ISR。在這種情況下，OS是不能執(zhí)行上下文切換的，否則將使中斷請(qǐng)求被延遲，而且在真實(shí)系統(tǒng)中延遲時(shí)間還往往不可預(yù)知——任何有一丁點(diǎn)實(shí)時(shí)要求的系統(tǒng)都決不能容忍這 種事。因此，在 CM3 中也是嚴(yán)禁沒(méi)商量——如果 OS 在某中斷活躍時(shí)嘗試切入線程模式，將觸犯用法fault異常。

為解決此問(wèn)題，早期的 OS 大多會(huì)檢測(cè)當(dāng)前是否有中斷在活躍中，只有在無(wú)任何中斷需要響應(yīng) 時(shí)，才執(zhí)行上下文切換（切換期間無(wú)法響應(yīng)中斷）。然而，這種方法的弊端在于，它可以把任務(wù)切 換動(dòng)作拖延很久（因?yàn)槿绻麚屨剂?IRQ，則本次 SysTick在執(zhí)行后不得作上下文切換，只能等待下 一次SysTick異常），尤其是當(dāng)某中斷源的頻率和SysTick異常的頻率比較接近時(shí)，會(huì)發(fā)生“共振”， 使上下文切換遲遲不能進(jìn)行。現(xiàn)在好了，PendSV來(lái)完美解決這個(gè)問(wèn)題了。PendSV異常會(huì)自動(dòng)延遲上下文切換的請(qǐng)求，直到 其它的 ISR都完成了處理后才放行。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制，需要把 PendSV編程為最低優(yōu)先級(jí)的異常。如果 OS檢測(cè)到某 IRQ正在活動(dòng)并且被 SysTick搶占，它將懸起一個(gè) PendSV異常，以便緩期執(zhí)行 上下文切換。

使用 PendSV 控制上下文切換個(gè)中事件的流水賬記錄如下：

1. 任務(wù) A呼叫 SVC來(lái)請(qǐng)求任務(wù)切換（例如，等待某些工作完成）

2. OS接收到請(qǐng)求，做好上下文切換的準(zhǔn)備，并且懸起一個(gè) PendSV異常。

3. 當(dāng) CPU退出 SVC后，它立即進(jìn)入 PendSV，從而執(zhí)行上下文切換。

4. 當(dāng) PendSV執(zhí)行完畢后，將返回到任務(wù) B，同時(shí)進(jìn)入線程模式。

5. 發(fā)生了一個(gè)中斷，并且中斷服務(wù)程序開始執(zhí)行

6. 在 ISR執(zhí)行過(guò)程中，發(fā)生 SysTick異常，并且搶占了該 ISR。

7. OS執(zhí)行必要的操作，然后懸起 PendSV異常以作好上下文切換的準(zhǔn)備。

8. 當(dāng) SysTick退出后，回到先前被搶占的 ISR中，ISR繼續(xù)執(zhí)行

9. ISR執(zhí)行完畢并退出后，PendSV服務(wù)例程開始執(zhí)行，并且在里面執(zhí)行上下文切換

10. 當(dāng) PendSV執(zhí)行完畢后，回到任務(wù) A，同時(shí)系統(tǒng)再次進(jìn)入線程模式。

我們?cè)趗COS的PendSV的處理代碼中可以看到：

OS_CPU_PendSVHandlerCPSIDI;關(guān)中斷;保存上文;.......................;切換下文CPSIEI;開中斷BXLR;異常返回

它在異常一開始就關(guān)閉了中端，結(jié)束時(shí)開啟中斷，中間的代碼為臨界區(qū)代碼，即不可被中斷的操作。PendSV異常是任務(wù)切換的堆棧部分的核心，由他來(lái)完成上下文切換。PendSV的操作也很簡(jiǎn)單，主要有設(shè)置優(yōu)先級(jí)和觸發(fā)異常兩部分：

NVIC_INT_CTRLEQU0xE000ED04;中斷控制寄存器NVIC_SYSPRI14EQU0xE000ED22;系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)寄存器(優(yōu)先級(jí)14).NVIC_PENDSV_PRIEQU0xFF;PendSV優(yōu)先級(jí)(最低).NVIC_PENDSVSETEQU0x10000000;PendSV觸發(fā)值;設(shè)置PendSV的異常中斷優(yōu)先級(jí)LDRR0,=NVIC_SYSPRI14LDRR1,=NVIC_PENDSV_PRISTRBR1,[R0];觸發(fā)PendSV異常LDRR0,=NVIC_INT_CTRLLDRR1,=NVIC_PENDSVSETSTRR1,[R0]

二、堆棧操作

Cortex M4有兩個(gè)堆棧寄存器，主堆棧指針（MSP）與進(jìn)程堆棧指針（PSP），而且任一時(shí)刻只能使用其中的一個(gè)。MSP為復(fù)位后缺省使用的堆棧指針，異常永遠(yuǎn)使用MSP，如果手動(dòng)開啟PSP，那么線程使用PSP，否則也使用MSP。怎么開啟PSP？

MSRPSP,R0;LoadPSPwithnewprocessSPORRLR,LR,#0x04;Ensureexceptionreturnusesprocessstack

很容易就看出來(lái)了，置LR的位2為1，那么異常返回后，線程使用PSP。

寫OS首先要將內(nèi)存分配搞明白，單片機(jī)內(nèi)存本來(lái)就很小，所以我們當(dāng)然要斤斤計(jì)較一下。在OS運(yùn)行之前，我們首先要初始化MSP和PSP，OS_CPU_ExceptStkBase是外部變量，假如我們給主堆棧分配1KB（256*4）的內(nèi)存即OS_CPU_ExceptStk[256],則OS_CPU_ExceptStkBase=&OS_CPU_ExceptStk[256-1]。

EXTERNOS_CPU_ExceptStkBase;PSP清零，作為首次上下文切換的標(biāo)志MOVSR0,#0MSRPSP,R0;將MSP設(shè)為我們?yōu)槠浞峙涞膬?nèi)存地址LDRR0,=OS_CPU_ExceptStkBaseLDRR1,[R0]MSRMSP,R1

然后就是PendSV上下文切換中的堆棧操作了，如果不使用FPU，則進(jìn)入異常自動(dòng)壓棧xPSR，PC，LR，R12，R0-R3，我們還要把R4-R11入棧。如果開啟了FPU，自動(dòng)壓棧的寄存器還有S0-S15，還需吧S16-S31壓棧。

MRSR0,PSPSUBSR0,R0,#0x20;壓入R4-R11STMR0,{R4-R11}LDRR1,=Cur_TCB_Point;當(dāng)前任務(wù)的指針LDRR1,[R1]STRR0,[R1];更新任務(wù)堆棧指針

出棧類似，但要注意順序

LDRR1,=TCB_Point;要切換的任務(wù)指針LDRR2,[R1]LDRR0,[R2];R0為要切換的任務(wù)堆棧地址LDMR0,{R4-R11};彈出R4-R11ADDSR0,R0,#0x20MSRPSP,R0;更新PSP

三、OS實(shí)戰(zhàn)

新建os_port.asm文件，內(nèi)容如下：

NVIC_INT_CTRLEQU0xE000ED04;Interruptcontrolstateregister.NVIC_SYSPRI14EQU0xE000ED22;Systempriorityregister(priority14).NVIC_PENDSV_PRIEQU0xFF;PendSVpriorityvalue(lowest).NVIC_PENDSVSETEQU0x10000000;ValuetotriggerPendSVexception.RSEGCODE:CODE:NOROOT(2)THUMBEXTERNg_OS_CPU_ExceptStkBaseEXTERNg_OS_Tcb_CurPEXTERNg_OS_Tcb_HighRdyPPUBLICOSStart_AsmPUBLICPendSV_HandlerPUBLICOSCtxSwOSCtxSwLDRR0,=NVIC_INT_CTRLLDRR1,=NVIC_PENDSVSETSTRR1,[R0]BXLR;EnableinterruptsatprocessorlevelOSStart_AsmLDRR0,=NVIC_SYSPRI14;SetthePendSVexceptionpriorityLDRR1,=NVIC_PENDSV_PRISTRBR1,[R0]MOVSR0,#0;SetthePSPto0forinitialcontextswitchcallMSRPSP,R0LDRR0,=g_OS_CPU_ExceptStkBase;InitializetheMSPtotheOS_CPU_ExceptStkBaseLDRR1,[R0]MSRMSP,R1LDRR0,=NVIC_INT_CTRL;TriggerthePendSVexception(causescontextswitch)LDRR1,=NVIC_PENDSVSETSTRR1,[R0]CPSIEI;EnableinterruptsatprocessorlevelOSStartHangBOSStartHang;ShouldnevergetherePendSV_HandlerCPSIDI;PreventinterruptionduringcontextswitchMRSR0,PSP;PSPisprocessstackpointerCBZR0,OS_CPU_PendSVHandler_nosave;SkipregistersavethefirsttimeSUBSR0,R0,#0x20;Saveremainingregsr4-11onprocessstackSTMR0,{R4-R11}LDRR1,=g_OS_Tcb_CurP;OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;LDRR1,[R1]STRR0,[R1];R0isSPofprocessbeingswitchedout;Atthispoint,entirecontextofprocesshasbeensavedOS_CPU_PendSVHandler_nosaveLDRR0,=g_OS_Tcb_CurP;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;LDRR1,=g_OS_Tcb_HighRdyPLDRR2,[R1]STRR2,[R0]LDRR0,[R2];R0isnewprocessSP;SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;LDMR0,{R4-R11};Restorer4-11fromnewprocessstackADDSR0,R0,#0x20MSRPSP,R0;LoadPSPwithnewprocessSPORRLR,LR,#0x04;EnsureexceptionreturnusesprocessstackCPSIEIBXLR;ExceptionreturnwillrestoreremainingcontextEND