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学习RTOS的历程分析，不看肯定后悔

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2021-11-29 06:44:06　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 50 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 44 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 42 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 41 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 40 个回答。邀请回答 hjfjsdgfjdsf 该类别下有 37 个回答。邀请回答 fdjslkjd 该类别下有 35 个回答。邀请回答 uvysdfydad 该类别下有 35 个回答。邀请回答 werywer 该类别下有 35 个回答。邀请回答 h1654155957.9520 该类别下有 35 个回答。邀请回答 jenny042 该类别下有 34 个回答。邀请回答 dfzvzs 该类别下有 34 个回答。邀请回答维生素B2 该类别下有 34 个回答。邀请回答凤毛麟角该类别下有 34 个回答。邀请回答刘洋该类别下有 33 个回答。邀请回答 meihuacg 该类别下有 33 个回答。邀请回答 hfgdzc 该类别下有 33 个回答。邀请回答 ggfvxv 该类别下有 33 个回答。邀请回答江左盟该类别下有 32 个回答。邀请回答爱与友人该类别下有 32 个回答。邀请回答举报幽默相关推荐 • AVR单片机学习资料大合集，不看肯定后悔 1317 • 3G通信技术的发展历程，不看肯定后悔 1780 • 电阻器自发热影响分析和计算，不看肯定后悔 1187 • 关于Assert_param的学习笔记分享，不看肯定后悔 1376 • 关于功率器件的标定及选择，不看肯定后悔 1571 • RT-Thread学习笔记分析，不看肯定后悔 1200 • 关于PLC的基础知识总结不看肯定后悔 1816 • PCB板的跨分割设计，不看肯定后悔 1684 • 关于电子元器件的失效指导不看肯定后悔 2127 • 时钟源的详细配置教程分享，不看肯定后悔 1834 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 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

2021-11-29 14:38:21 评论举报李佳