構(gòu)建RTOS Kernel指南 (上)
1前言試想與我們相伴的MCU如若只存在裸機(jī)程序，那么運(yùn)行到一個包含延時的線程時，我們的CPU就開始“摸魚”了。為了最大化運(yùn)行CPU，就需要用到RTOS（RealTime Operating System). 簡單來說，RTOS是一個調(diào)度一切可利用的資源完成實時任務(wù)，并控制所有實時任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng)，或者說，其內(nèi)核是一個任務(wù)管理的框架。
市面上已存有許多優(yōu)秀的RTOS，如FreeRTOS、Zephyr、RT-Thread等。許多小伙伴可能在最初接觸RTOS時怯于其超厚的配套書籍或其龐大的代碼，但不用害怕，像小編一樣庖丁解牛般邊學(xué)習(xí)邊構(gòu)建一個自己的RTOS是一個很好的學(xué)習(xí)方法，讓我們踏上RTOS的學(xué)習(xí)之旅！ 
圖1 RTOS版本
就好像要蓋一座高樓，必然先得考察地勢地貌，地基穩(wěn)固，才能逐漸添磚加瓦。構(gòu)建一個RTOS也是同樣道理，需要知道它運(yùn)行在一個怎樣的架構(gòu)上，以NXP的RT系列芯片為例，我們需要了解學(xué)習(xí)ARM Cortex-M系列的架構(gòu)內(nèi)容。這是一個非常龐大的體系，這里推薦《ARM Cortex-M3 Cortex-M4權(quán)威指南》，是一本不錯的參考書籍。下文將列舉構(gòu)建一個RTOS所需要的最為核心的內(nèi)容。
圖2《ARM 圖2 Cortex-M3 Cortex-M4權(quán)威指南》
2ARM處理器架構(gòu)相關(guān)內(nèi)容
2.1 操作模式和狀態(tài)
? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??圖3操作模式和狀態(tài)
Cortex-M系列有兩種操作狀態(tài)和兩種模式，并可以區(qū)分特權(quán)和非特權(quán)訪問等級。其中調(diào)試狀態(tài)只在連接調(diào)試器的時候起作用，若處理器在執(zhí)行程序代碼，則處于Thumb狀態(tài)，Cortex-M處理器不支持ARM狀態(tài)，所以ARM狀態(tài)不存在。
兩種模式為處理模式和線程模式：處理模式用作異常處理，并總具有特權(quán)訪問等級；在執(zhí)行普通的應(yīng)用程序代碼時，處理器處于線程模式，此時可能處于特權(quán)訪問等級也可能處于非特權(quán)訪問等級，前者可向后者切換，但是后者向前者切換則需要借用異常機(jī)制。
2.2 寄存器
Cortex-M處理器在內(nèi)核中具有多個執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和控制的寄存器，這些寄存器大都以寄存器組的形式進(jìn)行了分組。以cortex-M4處理器為例，寄存器組中有16個寄存器。
? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??圖4 寄存器組中寄存器其中R0-R12為通用寄存器，R13為棧指針，用于實現(xiàn)棧存儲的訪問。物理上存在兩個棧指針：主棧指針（MSP）用于處理模式，以及進(jìn)程棧指針（PSP）只能用于線程模式。R14也被稱為鏈接寄存器，用于函數(shù)或子程序調(diào)用時返回地址的保存。R15為程序計數(shù)器。除了寄存器組中的寄存器之外，處理器中還存在多個特殊的寄存器。下面為幾個較為典型的特殊寄存器： 
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?圖5 特殊寄存器
其中，程序狀態(tài)寄存器包含三個狀態(tài)寄存器，用于保存處理的狀態(tài)信息。PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI寄存器都用于異?；蛑袛嗥帘?，CONTROL寄存器則用于棧指針的選擇和線程模式的訪問等級。
2.3 向量表和系統(tǒng)控制塊
當(dāng)Cortex-M處理器接受了某種異常請求后，處理器需要確定該異常處理的起始地址，該信息位于存儲器內(nèi)的向量表中。構(gòu)建RTOS用到的最為核心的異常為PendSV，其優(yōu)先級最低，可以被其他中斷打斷，因此通常用作上下文的切換，也就是任務(wù)的切換。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6 中斷向量表
系統(tǒng)控制塊（SCB）中包含了若干用于中斷控制的寄存器，其中有一個與RTOS密切相關(guān)的為中斷控制和狀態(tài)寄存器（ICSR），通過將第28位進(jìn)行使能操作，可以觸發(fā)我們需要的PendSV中斷異常。
? ? ? ? ? ?? ?圖7 中斷控制和狀態(tài)寄存器（ICSR）
3任務(wù)切換的實現(xiàn)
上述背景知識是為構(gòu)建RTOS而提煉的內(nèi)容，作者在這里建議在開發(fā)學(xué)習(xí)過程中帶著疑問前進(jìn)，邊學(xué)習(xí)邊擴(kuò)展。下面就可以對RTOS的最基本功能——任務(wù)切換進(jìn)行實現(xiàn)。首先我們需要知道，不同于裸機(jī)程序，RTOS的每個任務(wù)都有獨(dú)立的上下文環(huán)境，在發(fā)生任務(wù)切換時，需對每個任務(wù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，那么需要為每個任務(wù)配備有獨(dú)立的?？臻g。
當(dāng)觸發(fā)任務(wù)切換時，需要首先暫停當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行，并保存當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)到任務(wù)對應(yīng)的棧空間，再將棧指針更新到切換的目標(biāo)任務(wù)的?？臻g，最后從該棧空間中恢復(fù)其狀態(tài)數(shù)據(jù)，至此完成了任務(wù)的切換。
圖8 任務(wù)切換的步驟
?圖9上下文切換的流程
END
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