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_PendSVHandlerCPSIDI;关中断;保存上文;.......................;切换下文CPSIEI;开中断BXLR;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_CTRLEQU0xE000ED04;中断控制寄存器NVIC_SYSPRI14EQU0xE000ED22;系统优先级寄存器(优先级14).NVIC_PENDSV_PRIEQU0xFF;PendSV优先级(最低).NVIC_PENDSVSETEQU0x10000000;PendSV触发值;设置PendSV的异常中断优先级LDRR0,=NVIC_SYSPRI14LDRR1,=NVIC_PENDSV_PRISTRBR1,[R0];触发PendSV异常LDRR0,=NVIC_INT_CTRLLDRR1,=NVIC_PENDSVSETSTRR1,[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？

MSRPSP,R0;LoadPSPwithnewprocessSPORRLR,LR,#0x04;Ensureexceptionreturnusesprocessstack

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]。

EXTERNOS_CPU_ExceptStkBase;PSP清零，作为首次上下文切换的标志MOVSR0,#0MSRPSP,R0;将MSP设为我们为其分配的内存地址LDRR0,=OS_CPU_ExceptStkBaseLDRR1,[R0]MSRMSP,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。

MRSR0,PSPSUBSR0,R0,#0x20;压入R4-R11STMR0,{R4-R11}LDRR1,=Cur_TCB_Point;当前任务的指针LDRR1,[R1]STRR0,[R1];更新任务堆栈指针

出栈类似，但要注意顺序

LDRR1,=TCB_Point;要切换的任务指针LDRR2,[R1]LDRR0,[R2];R0为要切换的任务堆栈地址LDMR0,{R4-R11};弹出R4-R11ADDSR0,R0,#0x20MSRPSP,R0;更新PSP

三、OS实战

新建os_port.asm文件，内容如下：

NVIC_INT_CTRLEQU0xE000ED04;Interruptcontrolstateregister.NVIC_SYSPRI14EQU0xE000ED22;Systempriorityregister(priority14).NVIC_PENDSV_PRIEQU0xFF;PendSVpriorityvalue(lowest).NVIC_PENDSVSETEQU0x10000000;ValuetotriggerPendSVexception.RSEGCODE:CODE:NOROOT(2)THUMBEXTERNg_OS_CPU_ExceptStkBaseEXTERNg_OS_Tcb_CurPEXTERNg_OS_Tcb_HighRdyPPUBLICOSStart_AsmPUBLICPendSV_HandlerPUBLICOSCtxSwOSCtxSwLDRR0,=NVIC_INT_CTRLLDRR1,=NVIC_PENDSVSETSTRR1,[R0]BXLR;EnableinterruptsatprocessorlevelOSStart_AsmLDRR0,=NVIC_SYSPRI14;SetthePendSVexceptionpriorityLDRR1,=NVIC_PENDSV_PRISTRBR1,[R0]MOVSR0,#0;SetthePSPto0forinitialcontextswitchcallMSRPSP,R0LDRR0,=g_OS_CPU_ExceptStkBase;InitializetheMSPtotheOS_CPU_ExceptStkBaseLDRR1,[R0]MSRMSP,R1LDRR0,=NVIC_INT_CTRL;TriggerthePendSVexception(causescontextswitch)LDRR1,=NVIC_PENDSVSETSTRR1,[R0]CPSIEI;EnableinterruptsatprocessorlevelOSStartHangBOSStartHang;ShouldnevergetherePendSV_HandlerCPSIDI;PreventinterruptionduringcontextswitchMRSR0,PSP;PSPisprocessstackpointerCBZR0,OS_CPU_PendSVHandler_nosave;SkipregistersavethefirsttimeSUBSR0,R0,#0x20;Saveremainingregsr4-11onprocessstackSTMR0,{R4-R11}LDRR1,=g_OS_Tcb_CurP;OSTCBCur->OSTCBStkPtr=SP;LDRR1,[R1]STRR0,[R1];R0isSPofprocessbeingswitchedout;Atthispoint,entirecontextofprocesshasbeensavedOS_CPU_PendSVHandler_nosaveLDRR0,=g_OS_Tcb_CurP;OSTCBCur=OSTCBHighRdy;LDRR1,=g_OS_Tcb_HighRdyPLDRR2,[R1]STRR2,[R0]LDRR0,[R2];R0isnewprocessSP;SP=OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;LDMR0,{R4-R11};Restorer4-11fromnewprocessstackADDSR0,R0,#0x20MSRPSP,R0;LoadPSPwithnewprocessSPORRLR,LR,#0x04;EnsureexceptionreturnusesprocessstackCPSIEIBXLR;ExceptionreturnwillrestoreremainingcontextEND