学习RTOS的历程分析，不看肯定后悔

写下这篇文章的主要目的是对自己学习RTOS的历程做一个记录和总结，方便以后回忆翻看。以下内容主要来自宋岩先生翻译的《Cortex-M3权威指南》。

一、Cortex-M3寄存器简介

Cortex‐M3 处理器拥有 R0‐R15 的寄存器组。R0‐R12都是32位通用寄存器，用于数据操作。R13-R15是专用寄存器。





R0-R3：用作传入函数参数，传出函数的返回值。在子程序运行时，可将R0-R3用于任何用途。被调用函数在返回之前不必恢复R0-R3，如果调用函数需要再次使用 r0-r3 的内容，则它必须保留这些内容。
R4-R11：被用来存放函数的局部变量。如果调用函数使用了这些寄存器，它在返回之前必须恢复寄存器的值。
R13是堆栈指针(SP)，Cortex‐M3 拥有两个堆栈指针，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。需要注意的是堆栈指针的最低两位永远是 0，这意味着堆栈总是 4 字节对齐的。

• 主堆栈指针（ MSP）：复位后缺省使用的堆栈指针，用于操作系统内核、异常处理例程（包括中断服务例程）以及所有需要特权访问的应用程序来使用
  
• 进程堆栈指针（ PSP）：由用户的应用程序代码使用（不处于异常服务程序时）。
  
  

R14是链接寄存器(LR)，当呼叫一个子程序时，由 R14 存储返回地址；例如，当你在使用 BL(分支并连接， Branch and Link)指令时，就自动填充 LR 的值。

main ;主程序
    …
    BL Task ; 使用“分支并连接”指令呼叫 Task，PC= Task，并且 LR=main 的下一条指令地址
    …
Task
    …       ; Task 的代码
    BX LR   ; 函数返回（如果 Task再次调用其他函数要使用 LR，必须在使用前 PUSH，否则返回时LR的值被改变程序就可能跑飞了）
   BX LR   ; 函数返回（如果 Task再次调用其他函数要使用 LR，必须在使用前 PUSH，否则返回时LR的值被改变程序就可能跑飞了） R15是程序计数器（PC）指向当前的程序地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流程。
Cortex‐M3 还在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器，它们只能被专用的 MSR 和 MRS 指令访问，而且它们也没有存储器地址。这些寄存器包括：

• 程序状态寄存器组（ PSRs 或xPSR）
  
• 中断屏蔽寄存器组（ PRIMASK, FAULTMASK,以及 BASEPRI）
  
• 控制寄存器（ CONTROL）
  
  

程序状态寄存器PSR在其内部又被分为三个子状态寄存器：应用程序 PSR（ APSR）、中断号 PSR（ IPSR）、执行 PSR（ EPSR）。通过 MRS/MSR 指令，这 3 个 xPSR 即可以单独访问，也可以组合访问（ 2 个组合， 3 个组合都可以）。当使用三合一的方式访问时，应使用名字“xPSR”或者“ PSR”,合体后的xPSR如下图所示。





PRIMASK, FAULTMASK 和 BASEPRI这三个寄存器用于控制异常（中断）的使能和除能。





控制寄存器（CONTROL）控制寄存器用于定义特权级别，还用于选择当前使用MSP还是PSP。





二、堆栈操作简介

堆栈操作就是对内存的读写操作，但是其地址由SP给出。寄存器的数据通过PUSH操作存入堆栈，以后用POP操作从堆栈中取回。在PUSH与POP的操作中，SP的值会按堆栈的使用法则自动调整，以保证后续的PUSH不会破坏先前 PUSH 进去的内容。堆栈的功能就是把寄存器的数据放入内存，以便将来能恢复之——当一个任务或者子程序执行完毕后恢复。正常情况下，PUSH与POP必须成对使用，而且参与的寄存器，不论是身份还是先后顺序都必须完全一致。当 PUSH/POP 指令执行时，SP指针的值也跟着自减/自加
通常在进入一个子程序后，第一件事就是把寄存器的值先PUSH入堆栈中，在子程序退出前再 POP 曾经 PUSH 的那些寄存器。如PUSH {R7，LR};寄存器的PUSH和POP 操作永远都是4字节对齐的——也就是说他们的地址必须是0x4,0x8,0xC，这样一来，R13 的最低两位被硬线连接到0,并且总是读出0（Read As Zero）。在分支时，无论是直接写PC的值还是使用分支指令，都必须保证加载到PC的数值是奇数（即 LSB=1），用以表明这是在Thumb状态下执行。倘若写了0，则视为企图转入ARM模式，CM3将产生一个fault异常。
在进入ISR（中断程序）时， Cortex-M3 会自动把一些寄存器压栈，这里使用的是进ISR之前使用的 SP指针（ MSP 或者是 PSP）。离开 ISR 后，只要 ISR 没有更改过 CONTROL[1]，就依然使用先前的 SP 指针来执行出栈操作。在RTOS中为了避免系统堆栈因应用程序的错误使用而毁坏，可以给应用程序专门配一个堆栈，不让它共享操作系统内核的堆栈。在这个管理制度下，运行在线程模式的用户代码使用 PSP，而异常服务例程则使用 MSP。这两个堆栈指针的切换是全自动的，就在出入异常服务例程时由硬件处理。如：进入异常时的自动压栈使用的是进程堆栈（PSP），进入异常 handler 后自动改为 MSP，退出异常时切换回 PSP，并且从进程堆栈上弹出数据。
Cortex-M3 使用的是向下生长的满栈，任意时刻SP都指向栈顶元素，所以空栈的MSP 的初始值必须是堆栈内存的末地址加1。举例来说，如果你的堆栈区域在 0x20007C00‐0x20007FFF 之间，当前的MSP是0x20007FC,此时出栈（POP）一个数据后栈中的数据就空了，由于一个32位数据占4个字节，MSP加4就变为0x20008000，那么 MSP 的初始值就必须是0x20008000。
void Task(void){    PUSH {R7,LR}    .    .    .    POP {R7,PC}} 以上例程 POP 的最后一个寄存器是 PC，并不是先前PUSH的LR。这其实是一个返回的小技巧。因为总要把先前LR的值弹出来，再使用此值返回，干脆绕过 LR，直接传给PC！那不怕LR的值没有被恢复吗？不怕，因为LR在子程序返回时的唯一用处就是提供返回地址，在返回后，先前保存的返回地址就没有利用价值了，所以只要PC得到了正确的值，不恢复也没关系。
三、汇编指令简介

下面仅对RTOS分析中遇到的汇编指令进行简介，如果需要了解更多请参考《Cortex-M3权威指南》或者《 ARMv7‐M应用程序级架构参考手册》（ ARMv7‐M Application Level Architecture Reference Manual）
LDR和STR指令

“加载（Load）”和“存储（Store）”是用于访问存储器的基础指令。加载指令 LDR 把存储器中的内容加载到寄存器中，存储指令 STR 则把寄存器的内容存储至存储器中。
LDR R0, [R1]     ;将存储器地址为R1的内容读入寄存器R0。LDR R0, [R1, #8] ;将存储器地址为R1+8的内容读入寄存器R0。LDR R0, [R1], #8 ;将存储器地址为R1的内容存到R0中,同时R1=R1+8STR R1, [R0]     ;将R1寄存器的值，传送到地址值为R0的（存储器）内存中STR R1, [R0]，#8 ;将R0中的内容写入以R1为地址的存储器中，并将新地址R0＋8写入R0。STR R1, [R0，#8] ;将R0中的内容写入以R1＋8为地址的存储器中。 ARM指令集中，LDR通常都是作加载指令的，但是它也可以作伪指令。LDR伪指令的形式是“LDR Rn,=expr”。将一个32位常数值或者一个地址数据载入寄存器。
NVIC_INT_CTRL   EQU     0xE000ED04  ;Interrupt control state register.LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ;加载0xE000ED04到寄存器R0LDR R0, =0XFFFFFFF0    ;加载0xFFFFFFF0到寄存器R0LDR R0,=Buf            ;加载变量Buf的地址到寄存器R0，即R0 = &Buf STMDB和LDMIA指令

STMDB SP!, {R0-R3,LR};等效于PUSH SP!, {R0-R3,LR}LDMIA SP!, {RO-R3,PC};等效于POP SP!, {RO-R3,PC} SP后面的“！”是什么意思？它表示要自增(Increment)或自减（Decrement）基址寄存器 SP的值，时机是在每次访问前(Before)或访问后(After)。增/减单位：字（4字节）。
B、BX、 BL、 BLX指令

以上指令为无条件跳转指令，以X结尾的跳转到包含在寄存器Rm中的地址处，不带X的跳转到标号所表示的地址处，
B Label ;转移到Label处对应的地址Bx Rm   ;转移到由寄存器Rm给出的地址,根据Rm的LSB切换处理器状态，BL Label;转移到Label处对应的地址，并且把转移前的下条指令地址保存到 LRBLx Rm  ;转移到由寄存器Rm给出的地址，根据Rm的LSB切换处理器状态，        ;并且把转移前的下条指令地址保存到 LR 在 BX和BLX中，Rm的最低位指示出在转移后，将进入的状态是 ARM(LSB=0)还是 Thumb(LSB=1)。既然 CM3 只在 Thumb 中运行，就必须保证 Rm的 LSB=1，否则会引起fault异常 。
MRS 和 MSR指令

这两条是访问特殊寄存器的指令，特殊寄存器主要包括xPSR（ APSR+EPSR+IPSR）、MSP、PSP、PRIMASK、BASEPRI等，具体见《Cortex-M3权威指南》。
MRS Rd，Sreg ;加载特殊寄存器Sreg的值到通用寄存器Rd中,Rd不能是R15(PC)MSR Sreg, Rd ;加载通用寄存器Rd的值到特殊寄存器Sreg中                     四、中断简介

在 ARM 编程领域中，凡是打断程序顺序执行的事件，都被称为异常(exception)。除了外部中断外，当有指令执行了“非法操作”，或者访问被禁的内存区间，因各种错误产生的 fault，以及不可屏蔽中断发生时，都会打断程序的执行，这些情况统称为异常。在不严格的上下文中，异常与中断也可以混用。另外，程序代码也可以主动请求进入异常状态的（常用于系统调用）。
    中断响应过程简介

由于RTOS中任务切换的具体操作是在PendSV中断中进行的因此我们先了解一下中断响应的具体过程，当Cortex-CM3开始响应一个中断时，会在硬件层面自动执行以下过程：

• 入栈： 把8个寄存器的值压入栈
  
• 取向量：从向量表中找出对应的服务程序入口地址
  
• 选择堆栈指针MSP/PSP，更新堆栈指针SP，更新连接寄存器LR，更新程序计数器PC
  
  

入栈：响应异常的第一个行动，就是自动保存现场的必要部分：依次把xPSR, PC, LR, R12以及R3‐R0由硬件自动压入适当的堆栈中：如果当响应异常时，当前的代码正在使用PSP，则压入PSP，即使用线程堆栈；否则压入MSP，使用主堆栈。一旦进入了服务例程，就将一直使用主堆栈（MSP）





取向量：从向量表中找出正确的异常向量，然后在服务程序的入口处预取指。由此可以看到各自都有专用总线的好处：入栈与取指这两个工作能同时进行。
更新寄存器：在入栈和取向量的工作都完毕之后，执行服务例程之前，还要更新一系列的寄存器：

• SP：在入栈中会把堆栈指针（ PSP或MSP）更新到新的位置。在执行服务例程后，将由MSP负责对堆栈的访问。
  
• PSR： IPSR位段（地处PSR的最低部分）会被更新为新响应的异常编号。
  
• PC：在向量取出完毕后， PC将指向服务例程的入口地址，
  
• LR： LR的用法将被重新解释，其值也被更新成一种特殊的值“ EXC_RETURN”并且在异常返回时使用，其低4位含义如下表所示
  
  

当异常服务例程执行完毕后，需要很正式地做一个“异常返回”动作序列，从而恢复先前的系统状态，才能使被中断的程序得以继续执行。从形式上看，有3种途径可以触发异常
返回，如下表所示；





不管使用哪一种方式返回，都需要用到先前储的LR的值。合法的EXC_RETURN值共三个，如下所示：





有些处理器使用特殊的返回指令来标示中断返回，例如8051就使用reti。但是在CM3中，是通过把EXC_RETURN往PC里写来识别返回动作的。因此，可以使用上述的常规返回指令，从而为使用C语言编写服务例程扫清了最后的障碍（无需特殊的编译器命令，如__interrupt）。
在启动了中断返回序列后，下述的处理就将进行：
1. 出栈：先前压入栈中的寄存器在这里恢复（xPSR, PC, LR, R12以及R3‐R0由硬件自动出栈）。内部的出栈顺序与入栈时的相对应，堆栈指针的值也改回去。
2. 更新NVIC寄存器：伴随着异常的返回，它的活动位也被硬件清除。对于外部中断，倘若中断输入再次被置为有效，悬起位也将再次置位，新一次的中断响应序列也可随之再次开始。
SVC和PensSV中断简介

在这里简单介绍一下SVC和PendSV中断的功能，如果需要更深入的了解这两个中断请参考《Coretex-M3权威指南》的第7章内容。
SVC（系统服务调用，亦简称系统调用）和 PendSV（可悬起系统调用），它们多用于在操作系统之上的软件开发中。 SVC 用于产生系统函数的调用请求。例如，操作系统不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，用户程序使用 SVC 发出对系统服务函数的呼叫请求，以这种方法调用它们来间接访问硬件。因此，当用户程序想要控制特定的硬件时，它就会产生一个 SVC 异常，然后操作系统提供的 SVC 异常服务例程得到执行，它再调用相关的操作系统函数，后者完成用户程序请求的服务。
PendSV（可悬起的系统调用），它和 SVC 协同使用。一方面， SVC异常是必须立即得到响应的（若因优先级不比当前正处理的高， 或是其它原因使之无法立即响应， 将上访成硬 fault）， 应用程序执行 SVC 时都是希望所需的请求立即得到响应。另一方面， PendSV 则不同，它是可以像普通的中断一样被悬起的（不像 SVC 那样会上访）。 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：执行一个系统调用或者系统滴答定时器（SYSTICK）中断，（轮转调度中需要）。通常在RTOS中把 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。
软件中断

软件中断，包括手工产生的普通中断，能以多种方式产生。最简单的就是使用相应的SETPEND寄存器；而更专业更快捷的作法，则是通过使用软件触发中断寄存器STIR，软件触发中断寄存器STIR（地址：0xE000_EF00），需要注意的是系统异常（NMI， faults， PendSV等），不能用此法悬起。而且缺省时就不允许用户程序改动NVIC寄存器的值。





五、汇编基础

标号是可选的， 如果有， 它必须顶格写并且不能包含任何空白字符（如空格或制表符）。标号的作用是让汇编器来计算程序转移的地址。操作码是指令的助记符，它的前面必须有至少一个空白符， 通常使用一个“Tab”键来产生，操作码可以全部用大写字母或者全部小写字母编写，但是不能使用混合大小写来编写操作码。立即数必须以“#”开头，注释均以”;”开头， 它的有无不影响汇编操作， 只是给程序员看的， 能让程序更易理解；常数使用“EQU”指示字来定义。

STACK_TOP EQU 0x20002000      ; SP初始值，常数
    AREA |Header Code|, CODE
    DCD STACK_TOP             ; 栈顶（MSP的）
    DCD Start                 ; 复位向量
    ENTRY                     ; 指示程序从这里开始执行
Start                         ; 标号，主程序开始
                              ; 初始化寄存器
    MOV r0, #10               ; 加载循环变量的初值
    MOV r1, #0                ; 初始化运算结果的值
                              ; 计算 10+9+8+...+1
loop                          ; 标号，Loop
    ADD r1, r0                ; R1 += R0
    SUBS r0, #1               ; R0自减，并且根据结果更新标志（有”S”后缀）
    BNE loop                  ; if (R0!=0) goto loop;
                              ; 现在，运算结果在R1中
deadloop
    B deadloop                ; 工作完成后，进入无穷循环
    END                       ; 标记文件结束