STM32操作系统内核调度原理是什么？如何实现？

  一、准备工作

[tr]参数值[/tr]

MCU	STM32F103ZET6
开发工具	MDK5 + STM32CubeMx

上表列出了本文的软硬件开发环境，在实现一个操作系统之前，需要做一些准备工作

• STM32 模板工程
  
• M3 内核的相关的基础知识
  
  

所有软件的运行都需要硬件的支持，所以在实现一个操作系统之前，首先要确定这个系统运行的硬件平台，本文采用目前非常流行的 STM32 作为操作系统运行的载体，在 STM32 所有型号中，选用容量大，外设丰富的STM32F103zet6 MCU。
二、STM32F103zet6 简介

STM32F103ZET6 拥有丰富的外设资源（USB，IIC，USART，TIMER，SPI等），大容量的RAM和ROM，以及上百个通用IO口，可满足普通嵌入式设备的大部分需求：
  

STM32F103ZE 参数
STM32F103ZE 存储器
程序存储器类型	Flash
ROM(Bytes)	512 K
RAM (Bytes)	64 K
STM32F103ZE 性能参数
工作频率	72 MHz
内核	Cortex-M3
16-bit 定时器	4
SPI	3
I²S	2
I²C	2
USART	5
USB	1
CAN	1
SDIO	1
GPIOs	112
引脚	144
电压 (V)	2 to 3.6

三、汇编
在 STM32 开发中，虽然极少使用汇编，但在操作系统中，由于需要控制一些C语言无法控制的内核寄存器，所以有一小部分功能需要汇编来实现。汇编语句是一个指令，通常带有1或者2个操作数：


MOV R0, R1 ; 把寄存器R1中的数据移至R0
1
其中，MOV为指令，它表示数据的转移，以上只是众多指令的其中一个，在MCU中，需要多个指令，这样才可以实现各种功能。我们把这些指令称为指令集，STM32F1xx 系列使用的Cortex-M3内核，支持ARM和Thumb指令集。
程序员在计算机中使用C语言开发程序，通过编译器将C语言编译成汇编指令，汇编指令在进一步编译成机器码， MCU 就是一个指令一个指令不断的读取，并执行的，因为指令会按一定属性存储在ROM中。 关于编译流程以及MCU的工作方式，网上已经有大量微机原理的文章做介绍，不再赘述。


四、Cortex-M3 内核
1. 函数调用原理简析
操作系统最基础的任务调度功能，其原理其实就是使 MCU 不断的处理（准确是 MCU 的内核）不同的函数（任务）。
在函数的调用中，编译器会自动的保存父函数相关的数据，保证子函数返回以后，父函数可以正常的运行：


//程序清单2.1
......
void main(void)
{
      foo(para1,para2);
}


int foo(int para1,int para2)
{
        foo_sub(20);
        return (para1+para2);
}


int foo_sub(int para1)
{
    return (para1)
}


在程序清单2.1中，foo() 函数调用了 foo_sub()，由于在M3内核中，根据 AAPCS 标准，会使用 R0-R3 这个4个寄存器来保存函数的参数，所以在 foo() 调用 foo_sub() 时，需要保存当前的R0，R1的值，否则在子函数返回时，foo() 的参数将会被改变。
事实上，以上操作是编译器自动为C程序实现的，即是说，在函数的编译过程中，编译器会通过汇编指令来实现这些操作，所以C程序员无需关心参数的问题。中断机制的原理也是类似的，一旦 MCU 发生中断，第一时间应该是“保存现场”，即保存当前状态的值，然后再跳转执行中断函数，同样这些是编译器自动完成，无关C开发者。


2. Cortex-M3 寄存器组

M3 内核有17个寄存器在任务调度中是关键的，它们需要在任务发生调度的时候被保存，在 AAPCS 标准中，对这部分的ARM寄存器的定义如下：
[tr]寄存器使用规则说明[/tr]

xPSR	状态字寄存器	记录ALU标志，执行状态，已经当前正服务的中断号
R15	程序计数器	当前程序运行的位置
R14	连接寄存器	应用与调用子程序的返回
R13	栈指针	栈指针
R12	子程序内部调用的暂存寄存器
R10 - R11	变量寄存器	存放变量的值
R9	平台寄存器，由平台标准定义	其含义和平台有关系
R4 - R8	变量寄存器	存放变量的值
R0 - R4	参数 / 结果 / 暂存寄存器1 -4	存放参数的值

如果你对汇编与微机原理不够熟悉，上文的AAPCS标准以及寄存器部分概念可能较难理解，不过目前相关只是只需要大概的了解即可，后文程序的实现过程中，会结合具体情况进行进一步的解释。
五、栈的概念

上文可知，内核有一部分寄存器可使用，其中有一些是特殊寄存器，它们有特定的意义，比如R15寄存器，M3内核的R15永远是存放一个指向当前程序运行的地址，若通过汇编修改这一寄存器，程序执行流程就变改变。其中也有通用的寄存器，它们只是提供一个存储功能，但是其功能是没有特定含义的，比如 R0 - R12，只是在不同的标准中，他们会有自己的含义。比如上文提及的 AAPCS 标准，它们别用来存放参数，或者是变量。
我们可以发现，内核虽然有一部分寄存器用来存放参数，一部分用来存放变量，但是如果一个函数变量个数为五个，当该函数被调用时，编译器将参数的值通过指令存放在R0-R4以后，第五个参数则无处可放，那是否意味着，在该标准中，函数的形参不可以超过五个？同理，变量寄存器的个数也十分有限，那是否意味着函数的内部临时变量也不可以超过七个呢？显然不是如此，对于这个问题，只需要在RAM开辟一些内存，来存放这些值即可。当使用到这些值的时候，从内存中读取，并进行计算等操作即可。那么这段有着特定的RAM，被称为 栈。栈一般存放函数的参数与返回值、局部变量等。
六、新建一个模板工程

1. 新建工程

有了前文的铺垫，我们可以来创建一个工程，并尝试在STM32在两个任务直接切换运行。本文使用 STM32CubeMx 创建一个 STM32F103ZET6 的工程，并重定义打印函数为ITM的0通道，与通常我打印到串口1中不同，这种操作可以直接使用IDE的子窗口来查看打印信息，并节省了一个串口外设。对于工程以及调试口，在学习阶段使用习惯的即可。关于 STM32CubeMx 创建工程，可以参考：STM32CubeMx 初始化和读/写 IO口操作
2. 验证

可以使用控制要给IO口高低电平等来测试模板工程是否正常，本文通过添在 main.c 文件中添加打印程序来验证：





当Debug [printf] Viewer 按程序正确的输出信息以后，工程的验证通过，既可以开始编写代码。