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構(gòu)建RTOS Kernel指南 (上)

恩智浦MCU加油站 ? 來(lái)源:未知 ? 2023-08-03 08:45 ? 次閱讀
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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(gè)包含延時(shí)的線程時(shí),我們的CPU就開(kāi)始“摸魚(yú)”了。為了最大化運(yùn)行CPU,就需要用到RTOS(RealTime Operating System). 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),RTOS是一個(gè)調(diào)度一切可利用的資源完成實(shí)時(shí)任務(wù),并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致運(yùn)行的操作系統(tǒng),或者說(shuō),其內(nèi)核是一個(gè)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(shí)怯于其超厚的配套書(shū)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(gè)自己的RTOS是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)方法,讓我們踏上RTOS的學(xué)習(xí)之旅! wKgaomToOvKAc6OSAADetuivD1w567.png

圖1 RTOS版本

就好像要蓋一座高樓,必然先得考察地勢(shì)地貌,地基穩(wěn)固,才能逐漸添磚加瓦。構(gòu)建一個(gè)RTOS也是同樣道理,需要知道它運(yùn)行在一個(gè)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(gè)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(cuò)的參考書(shū)籍。下文將列舉構(gòu)建一個(gè)RTOS所需要的最為核心的內(nèi)容。 wKgaomToOvKAPWsgAAEDZ-tJBPc915.png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)wKgaomToOvKAZRhTAAEn-l5RC5k593.png? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??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(wèn)等級(jí)。其中調(diào)試狀態(tài)只在連接調(diào)試器的時(shí)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線程模式處理模式用作異常處理,并總具有特權(quán)訪問(wèn)等級(jí);在執(zhí)行普通的應(yīng)用程序代碼時(shí),處理器處于線程模式,此時(shí)可能處于特權(quán)訪問(wèn)等級(jí)也可能處于非特權(quán)訪問(wèn)等級(jí),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(gè)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(gè)寄存器。wKgaomToOvOAd-CzAAHTXPSpwzU129.png? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??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(shí)現(xiàn)棧存儲(chǔ)的訪問(wèn)。物理上存在兩個(gè)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(shí)返回地址的保存。R15為程序計(jì)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(gè)特殊的寄存器。下面為幾個(gè)較為典型的特殊寄存器: wKgaomToOvOAQGDFAACYHdicB_o486.png? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?圖5 特殊寄存器 其中,程序狀態(tài)寄存器包含三個(gè)狀態(tài)寄存器,用于保存處理的狀態(tài)信息。PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI寄存器都用于異常或中斷屏蔽,CONTROL寄存器則用于棧指針的選擇和線程模式的訪問(wèn)等級(jí)。

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(qǐng)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(chǔ)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(jí)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。wKgaomToOvOATR4NAAFvTZLr7sc572.png? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?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(gè)與RTOS密切相關(guān)的為中斷控制和狀態(tài)寄存器(ICSR),通過(guò)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。

wKgaomToOvOAH9iVAADzepuMCcI861.png? ? ? ? ? ?? ?圖7 中斷控制和狀態(tài)寄存器(ICSR)

3任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)

上述背景知識(shí)是為構(gòu)建RTOS而提煉的內(nèi)容,作者在這里建議在開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)過(guò)程中帶著疑問(wèn)前進(jìn),邊學(xué)習(xí)邊擴(kuò)展。下面就可以對(duì)RTOS的最基本功能——任務(wù)切換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先我們需要知道,不同于裸機(jī)程序,RTOS的每個(gè)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(shí),需對(duì)每個(gè)任務(wù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,那么需要為每個(gè)任務(wù)配備有獨(dú)立的??臻g。

當(dāng)觸發(fā)任務(wù)切換時(shí),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(duì)應(yīng)的??臻g,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。wKgaomToOvOAHvVHAAD3mNaiefI740.png 圖8 任務(wù)切換的步驟

需要注意的是,當(dāng)PendSV異常觸發(fā)時(shí),硬件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存xPSR、LC、R12、R3-R0寄存器,R11-R4的壓棧需要代碼實(shí)現(xiàn)。除此之外,在任務(wù)初始化的時(shí)候,也需要對(duì)??臻g進(jìn)行初始化,并且在系統(tǒng)運(yùn)行第一個(gè)任務(wù)時(shí),無(wú)需進(jìn)行壓棧的操作,因此需要判斷任務(wù)是否為初始任務(wù),一個(gè)較為簡(jiǎn)單的辦法是在運(yùn)行初始任務(wù)之前將PSP置0用于判斷,但這樣對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率有一定影響,較為成熟的RTOS中有更為巧妙的處理辦法,有興趣的讀者可以自行查閱。

wKgaomToOvOAXEgDAADtvW9c_MM468.png?圖9上下文切換的流程

實(shí)現(xiàn)到這里,一個(gè)RTOS的地基已經(jīng)鑄成,請(qǐng)繼續(xù)翻看下集學(xué)習(xí): 優(yōu)先級(jí)查找,優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn),臨界區(qū)保護(hù)和線程同步功能的詳細(xì)介紹哦!

END

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