一步步写STM32 OS【三】PendSV与堆栈操作
一、什么是PendSV
PendSV是可悬起异常，如果我们把它配置最低优先级，那么如果同时有多个异常被触发，它会在其他异常执行完毕后再执行，而且任何异常都可以中断它。更详细的内容在《Cortex-M3 权威指南》里有介绍，下面我摘抄了一段。
OS 可以利用它“缓期执行”一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动 作。悬起 PendSV 的方法是：手工往 NVIC的 PendSV悬起寄存器中写 1。悬起后，如果优先级不够 高，则将缓期等待执行。
PendSV的典型使用场合是在上下文切换时（在不同任务之间切换）。例如，一个系统中有两个就绪的任务，上下文切换被触发的场合可以是：
1、执行一个系统调用
2、系统滴答定时器（SYSTICK）中断，（轮转调度中需要）
让我们举个简单的例子来辅助理解。假设有这么一个系统，里面有两个就绪的任务，并且通过SysTick异常启动上下文切换。但若在产生 SysTick 异常时正在响应一个中断，则 SysTick异常会抢占其 ISR。在这种情况下，OS是不能执行上下文切换的，否则将使中断请求被延迟，而且在真实系统中延迟时间还往往不可预知——任何有一丁点实时要求的系统都决不能容忍这 种事。因此，在 CM3 中也是严禁没商量——如果 OS 在某中断活跃时尝试切入线程模式，将触犯用法fault异常。
为解决此问题，早期的 OS 大多会检测当前是否有中断在活跃中，只有在无任何中断需要响应 时，才执行上下文切换（切换期间无法响应中断）。然而，这种方法的弊端在于，它可以把任务切 换动作拖延很久（因为如果抢占了 IRQ，则本次 SysTick在执行后不得作上下文切换，只能等待下 一次SysTick异常），尤其是当某中断源的频率和SysTick异常的频率比较接近时，会发生“共振”， 使上下文切换迟迟不能进行。现在好了，PendSV来完美解决这个问题了。PendSV异常会自动延迟上下文切换的请求，直到 其它的 ISR都完成了处理后才放行。为实现这个机制，需要把 PendSV编程为最低优先级的异常。如果 OS检测到某 IRQ正在活动并且被 SysTick抢占，它将悬起一个 PendSV异常，以便缓期执行 上下文切换。
使用 PendSV 控制上下文切换个中事件的流水账记录如下：
1. 任务 A呼叫 SVC来请求任务切换（例如，等待某些工作完成）
2. OS接收到请求，做好上下文切换的准备，并且悬起一个 PendSV异常。
3. 当 CPU退出 SVC后，它立即进入 PendSV，从而执行上下文切换。
4. 当 PendSV执行完毕后，将返回到任务 B，同时进入线程模式。
5. 发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行
6. 在 ISR执行过程中，发生 SysTick异常，并且抢占了该 ISR。
7. OS执行必要的操作，然后悬起 PendSV异常以作好上下文切换的准备。
8. 当 SysTick退出后，回到先前被抢占的 ISR中，ISR继续执行
9. ISR执行完毕并退出后，PendSV服务例程开始执行，并且在里面执行上下文切换
10. 当 PendSV执行完毕后，回到任务 A，同时系统再次进入线程模式。
我们在uCOS的PendSV的处理代码中可以看到：
OS_CPU_PendSVHandler CPSID I ; 关中断 ;保存上文 ;....................... ;切换下文 CPSIE I ;开中断 BX LR ;异常返回
它在异常一开始就关闭了中端，结束时开启中断，中间的代码为临界区代码，即不可被中断的操作。PendSV异常是任务切换的堆栈部分的核心，由他来完成上下文切换。PendSV的操作也很简单，主要有设置优先级和触发异常两部分：
NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; 中断控制寄存器 NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; 系统优先级寄存器(优先级14). NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF ; PendSV优先级(最低).
NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; PendSV触发值 ; 设置PendSV的异常中断优先级 LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI STRB R1, [R0] ; 触发PendSV异常 LDR R0, =NVIC_INT_CTRL LDR R1, =NVIC_PENDSVSET STR R1, [R0]
二、堆栈操作
Cortex M4有两个堆栈寄存器，主堆栈指针（MSP）与进程堆栈指针（PSP），而且任一时刻只能使用其中的一个。MSP为复位后缺省使用的堆栈指针，异常永远使用MSP，如果手动开启PSP，那么线程使用PSP，否则也使用MSP。怎么开启PSP？
MSR PSP, R0 ; Load PSP with new process SP ORR LR, LR, #0x04 ; Ensure exception return uses process stack
很容易就看出来了，置LR的位2为1，那么异常返回后，线程使用PSP。
写OS首先要将内存分配搞明白，单片机内存本来就很小，所以我们当然要斤斤计较一下。在OS运行之前，我们首先要初始化MSP和PSP，OS_CPU_ExceptStkBase是外部变量，假如我们给主堆栈分配1KB（256*4）的内存即OS_CPU_ExceptStk[256],则OS_CPU_ExceptStkBase=&OS_CPU_ExceptStk[256-1]。
EXTERN OS_CPU_ExceptStkBase ;PSP清零，作为首次上下文切换的标志 MOVS R0, #0 MSR PSP, R0 ;将MSP设为我们为其分配的内存地址 LDR R0, =OS_CPU_ExceptStkBase LDR R1, [R0] MSR MSP, R1
然后就是PendSV上下文切换中的堆栈操作了，如果不使用FPU，则进入异常自动压栈xPSR，PC，LR，R12，R0-R3，我们还要把R4-R11入栈。如果开启了FPU，自动压栈的寄存器还有S0-S15，还需吧S16-S31压栈。
MRS R0, PSP SUBS R0, R0, #0x20 ;压入R4-R11 STM R0, {R4-R11} LDR R1, =Cur_TCB_Point ;当前任务的指针 LDR R1, [R1] STR R0, [R1] ; 更新任务堆栈指针
出栈类似，但要注意顺序
LDR R1, =TCB_Point ;要切换的任务指针 LDR R2, [R1] LDR R0, [R2] ; R0为要切换的任务堆栈地址 LDM R0, {R4-R11} ; 弹出R4-R11 ADDS R0, R0, #0x20 MSR PSP, R0 ;更新PSP
三、OS实战
新建os_port.asm文件，内容如下：
NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; Interrupt control state register. NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; System priority register (priority 14). NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF ; PendSV priority value (lowest). NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; Value to trigger PendSV exception. RSEG CODE:CODE:NOROOT(2) THUMB EXTERN g_OS_CPU_ExceptStkBase EXTERN g_OS_Tcb_CurP EXTERN g_OS_Tcb_HighRdyP PUBLIC OSStart_Asm PUBLIC PendSV_Handler PUBLIC OSCtxSw OSCtxSw LDR R0, =NVIC_INT_CTRL LDR R1, =NVIC_PENDSVSET STR R1, [R0] BX LR ; Enable interrupts at processor level OSStart_Asm LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 ; Set the PendSV exception priority LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI STRB R1, [R0] MOVS R0, #0 ; Set the PSP to 0 for initial context switch call MSR PSP, R0 LDR R0, =g_OS_CPU_ExceptStkBase ; Initialize the MSP to the OS_CPU_ExceptStkBase LDR R1, [R0] MSR MSP, R1 LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ; Trigger the PendSV exception (causes context switch) LDR R1, =NVIC_PENDSVSET STR R1, [R0] CPSIE I ; Enable interrupts at processor level OSStartHang B OSStartHang ; Should never get here PendSV_Handler CPSID I ; Prevent interruption during context switch MRS R0, PSP ; PSP is process stack pointer CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; Skip register save the first time SUBS R0, R0, #0x20 ; Save remaining regs r4-11 on process stack STM R0, {R4-R11} LDR R1, =g_OS_Tcb_CurP ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP; LDR R1, [R1] STR R0, [R1] ; R0 is SP of process being switched out ; At this point, entire context of process has been saved OS_CPU_PendSVHandler_nosave LDR R0, =g_OS_Tcb_CurP ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy; LDR R1, =g_OS_Tcb_HighRdyP LDR R2, [R1] STR R2, [R0] LDR R0, [R2] ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr; LDM R0, {R4-R11} ; Restore r4-11 from new process stack ADDS R0, R0, #0x20 MSR PSP, R0 ; Load PSP with new process SP ORR LR, LR, #0x04 ; Ensure exception return uses process stack CPSIE I BX LR ; Exception return will restore remaining context END
main.c内容如下：
#include "stdio.h" #define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024 #define TASK_1_STK_SIZE 1024 #define TASK_2_STK_SIZE 1024 typedef unsigned int OS_STK; typedef void (*OS_TASK)(void); typedef struct OS_TCB { OS_STK *StkAddr; }OS_TCB,*OS_TCBP; OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP; OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP; static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE]; OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase; static OS_TCB TCB_1; static OS_TCB TCB_2; static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE]; static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE]; extern void OSStart_Asm(void); extern void OSCtxSw(void); void Task_Switch() { if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1) g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2; else g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1; OSCtxSw(); } void task_1() { printf("Task 1 Running!!!\n"); Task_Switch(); printf("Task 1 Running!!!\n"); Task_Switch(); } void task_2() { printf("Task 2 Running!!!\n"); Task_Switch(); printf("Task 2 Running!!!\n"); Task_Switch(); } void Task_End(void) { printf("Task End\n"); while(1) {} } void Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk) { OS_STK *p_stk; p_stk = stk; p_stk = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u); *(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL; //xPSR *(--p_stk) = (OS_STK)task; // Entry Point *(--p_stk) = (OS_STK)Task_End; // R14 (LR) *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL; // R12 *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL; // R3 *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL; // R2 *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL; // R1 *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u; // R0 *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL; // R11 *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL; // R10 *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL; // R9 *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL; // R8 *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL; // R7 *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL; // R6 *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL; // R5 *(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL; // R4 tcb->StkAddr=p_stk; } int main() { g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1; Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]); Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]); g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1; OSStart_Asm(); return 0; }
编译下载并调试：
在此处设置断点
此时寄存器的值，可以看到R4-R11正是我们给的值，单步运行几次，可以看到进入了我们的任务task_1或task_2，任务里打印信息，然后调用Task_Switch进行切换，OSCtxSw触发PendSV异常。
IO输出如下：
至此我们成功实现了使用PenSV进行两个任务的互相切换。之后，我们使用使用SysTick实现比较完整的多任务切换。
