《ARM Cortex-M0 权威指南》笔记（8）—支持操作系统

admin 于 2021年08月20日发表在 Cortex-M0开发笔记

1. 概述

Cortex-M0有一部分特性针对嵌入式操作系统（OS），包括：

SysTick定时器，24位向下计数，且周期产生SysTick异常。
支持主栈指针（MSP）和进程栈指针（PSP），可以使应用栈和OS内核栈相互独立；
SCV异常和SVC指令，通过异常机制，应用程序可以使用SVC访问OS服务；
PendSV异常，可以被OS、设备驱动或应用程序使用来产生可延迟的服务请求；

嵌入式应用程序中，OS一般用来管理任务。这种情况下，OS将处理器时间划分为多个时间片，并且在每个时间片上执行不同任务。当一个时间片结束时，OS任务调度器开始执行，这样在下一个时间片开始的时候，处理器已经切换到其它的任务中执行了。这种任务切换一般被称为上下文切换。

上下文切换.png

除了支持多任务外，嵌入式OS也提供了其它各种功能，包括资源管理、内存管理、电源管理，以及应用程序编程接口（API）用以访问外设、硬件和信道。

嵌入式OS其它功能.png

由于Cortex-M0处理器不具备内存管理单元（MMU），所以不能运行需要虚拟地址的嵌入式OS，比如Windows CE或Symbian OS等。

2. SysTick定时器

OS支持周期执行上下文切换，这样就需要有定时器之类的硬件资源打断程序执行。当定时器中断产生时，处理器就会在异常处理中进行OS任务调度，同时还会进行OS维护工作。

Cortex-M0处理器中有一个SysTick的简单定时器，用于产生周期性的中断请求。SysTick为24位的定时器，并且向下计数。定时器的计数减至0后，就会重新装载一个可编程的数值，并且同时产生SysTick异常（异常编号15）。

2.1 SysTick寄存器

systick寄存器.png

SysTick控制和状态寄存器（0xE000E010）

systick寄存器_0x10.png

SysTick重装载值寄存器（0xE000E014）

systick寄存器_0x14.png

SysTick当前值寄存器（0xE000E018）

systick寄存器_0x18.png

SysTick校准值寄存器（0xE000E01C）

systick寄存器_0x1C.png

使用CMSIS设备驱动库，可以采用如下方式来进行访问：

typedef struct
{
  __IO uint32_t CTRL;                    /*!< Offset: 0x000 (R/W)  SysTick Control and Status Register */
  __IO uint32_t LOAD;                    /*!< Offset: 0x004 (R/W)  SysTick Reload Value Register       */
  __IO uint32_t VAL;                     /*!< Offset: 0x008 (R/W)  SysTick Current Value Register      */
  __I  uint32_t CALIB;                   /*!< Offset: 0x00C (R/ )  SysTick Calibration Register        */
} SysTick_Type;

systick寄存器名称.png

2.2 设置SysTick

SysTick的设置需要遵循一定流程：

systick设置.png

使用CMSIS进行操作，代码如下：

uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks);

也可以直接操作SysTick寄存器，来控制SysTick，代码如下：

SysTick -> CTRL = 0;  // 禁止SysTick
SysTick -> LOAD = 999;  // 从999到0减计数
SysTick -> VAL  = 0;  // 将当前值清0
SysTick -> CTRL = 0x07;  // 使能SysTick以及SysTick异常，并且使用处理器时钟

3. 主栈指针和进程栈指针

Cortex-M0具有两个栈指针：主栈指针（MSP）和进程栈指针（PSP）。他们都是32位寄存器，并且都可通过R13访问，只是同一时间只能使用一个。

对于简单程序，可以只使用MSP，这种情况下，也只能由一个栈区域；对于使用嵌入式OS，由于需要较高的可靠性，需要定义多个栈区域，一个用于OS内核以及异常，其他的则用于不用任务。

OS栈指针的分布.png

在典型OS环境中，MSP和PSP用法如下：

MSP，用于OS内核和异常处理；
PSP，用于应用任务；

OS内核在上下文切换时，需要一直跟踪每个任务栈指针的值，并且改变PSP的值以使得每个任务都有自己的栈空间。

OS栈使用示例.png

栈指针的选择由Cortex-M0处理器的当前模式和CONTROL寄存器的值来决定。关于CONTROL寄存器，参考章节 2.3 CONTROL 寄存器

如果发生异常，处理器会进入处理模式，并且选择MSP作为栈指针。根据CONTROL寄存器的值得不同，压栈过程会将R0-R3、R12、LR、PC和xPSR压入MSP或PSP中。

异常进入和退出栈指针变化示意图，如下：

异常进入和退出栈指针变化.png

关于异常处理，参考章节《ARM Cortex-M0 权威指南》笔记（6）—异常和中断》

使用CMSIS函数来操作MSP和PSP，如下：

uint32_t __get_MSP(void);     // 读取主栈指针的当前值
void __set_MSP(uint32_t topOfMainStack); // 设置主栈指针
uint32_t __get_PSP(void);     // 读取进程栈指针的当前值
void __set_PSP(uint32_t topOfProcStack); // 设置进程栈指针

简单OS的任务栈初始化：

OS栈初始化.png

简单OS中的上下文切换：

OS上下文切换.png

4. 请求管理调用（SVC）

要实现一个完整的OS，需要用到更多的处理器特性。第一个就是能够让任务触发特定OS异常的软件中断机制，在ARM处理器中，它被称作请求管理调用（系统服务调用）。SVC（Supervisor Call）即是一条指令，也是一种异常。SVC指令的执行就会触发SVC异常，如果没有相同优先级或更改优先级的异常在执行，处理器就立即执行SVC异常处理。

SVC为应用程序访问OS的系统服务提供了一个途径，并且这种访问不需要提供任何地址信息。因此，OS的应用程序可以单独的编译和启动，应用程序只需要正确的OS服务，并且提供所需的参数，就能与OS交互。

OS调用SVC接口.png

SVC指令包含一个8位立即数，SVC处理可以将这个数据提取出来，并根据它来确定所需的OS服务。SVC指令的汇编调用规则如下：

SVC #3    ;调用SVC3号服务

FreeRTOS v9.0 中 ARM_CM3 对应函数 vPortSVCHandler()，如下：

__asm void vPortSVCHandler( void )
{
	PRESERVE8

	ldr	r3, =pxCurrentTCB	/* Restore the context. */
	ldr r1, [r3]			/* Use pxCurrentTCBConst to get the pxCurrentTCB address. */
	ldr r0, [r1]			/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
	ldmia r0!, {r4-r11}		/* Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and the critical nesting count. */
	msr psp, r0			/* Restore the task stack pointer. */
	isb
	mov r0, #0
	msr	basepri, r0
	orr r14, #0xd
	bx r14
}

5. 可悬起系统调用（PendSV）

PendSV也是一种异常，可以通过设置NVIC的挂起位来激活它。PendSV的激活可以被延迟，因此，即使你在执行比PendSV的优先级还高的异常处理，也可以设置它的挂起状态。

PendSV异常的主要功能：

嵌入式OS的上下文切换；
将一个中断处理过程划分为两部分：
（1）前半部分需要快速执行，并且在高优先级中断服务程序中处理；
（2）后半部分对时间要求不高，可以在延迟的PendSV中处理，并且具有较低的优先级；因此，其他的高优先级中断请求就得以快速处理。

典型的OS设计中，上下文切换可以有以下方式触发：

SysTick处理期间的任务调度；
等待数据/事件的任务通过调用SVC服务切换到另外一个任务中；

通常SysTick异常被设置为高优先级，因此，即便当前有其它的中断处理正在运行，SysTick处理也可以执行。不过，当有中断服务程序正在运行时，OS就不应执行实际的上下文切换了，要不然，这个中断服务区程序会被分割成多个部分。按照传统的方式，如果OS检测到有中断服务程序正在执行，下一个OS时钟到来之前，它就不会执行上下文切换。

没有使用PendSV，OS检测到ISR正在运行时，不执行上下文切换，如下：

没有PendSV，OS中断处理.png

通过将上下文切换延迟到下次SysTick异常，IRQ处理可以完成本次执行。不过，这个IRQ的生成节拍可能同任务切换一致，或者IRQ产生太过频繁，这样就会导致有些任务会获得大量的执行时间，或者上下文切换在很长时间内都无法得到执行的机会。

为了解决这个问题，实际的上下文切换过程可以发生在低优先级的PendSV处理中，并且与SysTick处理相分离。将PendSV异常的优先级设为最低以后，只要在没有其他中断服务运行时，PendSV处理才得以执行。

使用PendSV，在IRQ处理完成后，上下文切换可以执行，如下：

pendsv_上下文切换.png

如上图，SysTick异常周期性地触发OS任务调度器，使其进行任务调度。OS任务调度器可以在退出异常之前设置PendSV异常的挂起状态，如果此时没有IRQ处理在运行，在SysTick异常结束后，PendSV处理会立即启动并执行上下文切换。如果SysTick异常产生时有IRQ正在运行，由于PendSV的优先级最低，在IRQ结束前，PendSV不会开始执行。当所有的IRQ处理全部结束时，PendSV处理才会执行所需的上下文切换。

FreeRTOS v9.0 中 ARM_CM0 对应函数 PendSV_Handler()，如下：

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
	extern vTaskSwitchContext
	extern pxCurrentTCB

	PRESERVE8

	mrs r0, psp

	ldr	r3, =pxCurrentTCB 	/* Get the location of the current TCB. */
	ldr	r2, [r3]

	subs r0, #32			/* Make space for the remaining low registers. */
	str r0, [r2]			/* Save the new top of stack. */
	stmia r0!, {r4-r7}		/* Store the low registers that are not saved automatically. */
	mov r4, r8				/* Store the high registers. */
	mov r5, r9
	mov r6, r10
	mov r7, r11
	stmia r0!, {r4-r7}

	push {r3, r14}
	cpsid i
	bl vTaskSwitchContext
	cpsie i
	pop {r2, r3}			/* lr goes in r3. r2 now holds tcb pointer. */

	ldr r1, [r2]
	ldr r0, [r1]			/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
	adds r0, #16			/* Move to the high registers. */
	ldmia r0!, {r4-r7}		/* Pop the high registers. */
	mov r8, r4
	mov r9, r5
	mov r10, r6
	mov r11, r7

	msr psp, r0				/* Remember the new top of stack for the task. */

	subs r0, #32			/* Go back for the low registers that are not automatically restored. */
	ldmia r0!, {r4-r7}      /* Pop low registers.  */

	bx r3
	ALIGN
}

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