内核移植笔记 Cortex-M移植

常用寄存器

PRIMASK寄存器
为1位宽的中断屏蔽寄存器。在置位时，它会阻止不可屏蔽中断（NMI）和HardFault异常之外的所有异常（包括中断）。
实际上，它是将当前异常优先级提升为0，这也是可编程异常/中断的最高优先级。

FAULTMASK寄存器
FAULTMASK与PRIMASK相类似，但同时它能屏蔽HardFault异常，它实际上是将异常优先级提升到了-1。

程序状态寄存器（xPSR）
xPSR包含：

  • 应用PSR（APSR）
  • 执行PSR（EPSR）
  • 中断PSR（IPSR）

在这里插入图片描述
注：GE 在 Cortex-M4 等 ARMv7E-M 处理器中存在，在 Cortex-M3 处理器中则不可用。

  • N：负标志
  • Z：零标志
  • C：进位（或者非借位）标志
  • V：溢出标志
  • Q：包含标志
  • GE：大于或等于标志
  • ICI/IT：中断继续指令位
  • T：Thumb状态，总是1，清除此位会引起错误异常
  • 异常变化：表示处理器正在处理的异常

中断向量表
Cortex-M系列处理器的中断向量表位于0x00000000，单Cortex-M3/4系列提供了SCB_VTOR，所以中断向量表的位置位于0x00000000+SCB_VTOR。

异常相关指令

  • CPSIE I：使能中断（清除PRIMASK）
  • CPSID I：禁止中断（设置PRIMASK），NMI和HardFault不受影响
  • CPSIE F：使能中断（清除FAULTMASK）
  • CPSID F：禁止中断（设置FAULTMASK），NMI不受影响

移植过程

在嵌入式领域有多种不同CPU架构，例如Cortex-M，ARM920T、MIPS、RISC-V等等。
为了使RT-Thread能够在不同CPU架构的芯片上运行，RT-Thread提供了一个libcpu抽象层来适配不同的CPU架构。

libcpu层向上对内核提供统一的接口，包括全局中断的开关，线程栈的初始化，上下文切换等。

libcpu抽象层向下提供了一套统一的CPU架构移植接口，这部分接口包含了全局中断开关函数，线程上下文切换函数，时钟节拍的配置和中断函数、Cache等等内容。

libcpu移植相关API，要对CPU进行移植只需要实现这些接口

关闭全局中断

/*rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);*/.global rt_hw_interrupt_disable
.type rt_hw_interrupt_disable,%functionrt_hw_interrupt_disable:MRS R0,PRIMASK ;将PRIMASK关中断前的状态存入R0，并作为函数返回值返回CPSID I	;关闭中断BX LR

/*void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level); level是调用关中断函数时的返回值，代表关中断前PRIMASK的值*/
.global rt_hw_interrupt_enable
.type rt_hw_interrupt_enable,%functionrt_hw_interrupt_enable:MSR PRIMASK,R0 ;将level写入PRIMASK寄存器，恢复关中断前的状态BX LR

实现线程栈初始化

在动态创建线程和初始化线程的时候，会使用到内部的线程初始化函数_rt_thread_init()，_rt_thread_init()函数会调用栈初始化函数rt_hw_stack_init()，在栈初始化函数里会手动构造一个上下文内容，这个上下文内容将被作为每个线程第一次执行的初始值。
上下文在栈里的排布如图：
在这里插入图片描述

rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry,void *parameter,rt_uint8_t *stack_addr,void *texit)
{struct stack_frame *stack_frame;rt_uint8_t         *stk;unsigned long       i;stk  = stack_addr + sizeof(rt_uint32_t);stk  = (rt_uint8_t *)RT_ALIGN_DOWN((rt_uint32_t)stk, 8);stk -= sizeof(struct stack_frame);stack_frame = (struct stack_frame *)stk;/* init all register */for (i = 0; i < sizeof(struct stack_frame) / sizeof(rt_uint32_t); i ++){((rt_uint32_t *)stack_frame)[i] = 0xdeadbeef;}/* 根据 ARM  APCS 调用标准，将第一个参数保存在 r0 寄存器 */stack_frame->exception_stack_frame.r0  = (unsigned long)parameter; stack_frame->exception_stack_frame.r1  = 0;                        /* r1 */stack_frame->exception_stack_frame.r2  = 0;                        /* r2 */stack_frame->exception_stack_frame.r3  = 0;                        /* r3 *//* 将 IP(Intra-Procedure-call scratch register.) 设置为 0 */stack_frame->exception_stack_frame.r12 = 0;    //将线程退出函数的地址保存在lr寄存器stack_frame->exception_stack_frame.lr = (unsigned long) texit;//将线程入口函数的地址保存在pc寄存器stack_frame->exception_stack_frame.pc = (unsigned long) tentry;/* 设置 psr 的值为 0x01000000L，表示默认切换过去是 Thumb 模式 */stack_frame->exception_stack_frame.psr = 0x01000000L;              /* PSR */return stk;
}

实现上下文切换

在Cortex-M里面上下文切换都是统一使用PendSV异常来完成。
为了能适应不同的CPU架构，RT-Thread的libcpu抽象层需要实现三个线程相关的函数：

  1. rt_hw_context_switch_to()：没有来源线程，切换到目标线程，在调度器启动第一个线程的时候被调用。
  2. rt_hw_context_switch()：在线程环境下，从当前线程切换到目标线程。
  3. rt_hw_context_switch_intrrupt()：在中断环境下，从当前线程切换到目标线程。

PendSV_Handler

产生PendSV异常时，Cortex-M系列处理器硬件会自动将from线程的PSR、PC、LR、R12、R3-R0压栈，因此在PendSV_Handler中，我们需要把from线程的R11-R4压栈，并把to线程的R11-R4弹出。修改PSP为to线程的栈地址，在退出PendSV中断时，硬件会自动弹出R3-R0、R12、LR、PC、PSR寄存器。

/*R0->保存from线程的栈，R1->保存to线程的栈*/
/*PSR PC LR...被放入from线程的栈*/
.global PendSV_Handler
.type PendSV_Handler, %functionPendCV_Handler:MRS R2,PRIMASKCPSID	ILDR R0, =rt_thread_switch_interrupt_flagLDR R1,[R0]CBZ R1,pendsv_exit MOV R1,#0STR R1,[R0]LDR R0,=rt_interrupt_from_threadLDR R1,[R0]CBZ R1,switch_to_threadMRS R1,PSPSTMFD R1!,{R4-R11} //将from线程的数据寄存器R4-R11压栈LDR R0,[R0] STR R1,[R0]switch_to_thread:LDR R1,=rt_interrupt_to_threadLDR R1,[R1]LDR R1,[R1]LDMFD R1!,{R4-R11} //将to线程寄存器弹出MSR PSP,R1 //更新栈指针pendsv_exit:MSR PRIMASK,R2ORR LR,LR,#0X4BX LR

rt_hw_context_switch_to

在这里插入图片描述

.global rt_hw_context_switch_to
.type rt_hw_context_switch_to,%functionrt_hw_context_switch_to:LDR R1,=rt_interrupt_to_threadSTR R0,[R1]LDR R1,=rt_interrupt_from_threadMOV R0,#0STR R0,[R1]LDR R1,=rt_thread_switch_interrupt_flagMOV R0,#1STR R0,[R1]LDR R0,=SHPR3LDR R1,=PENDSV_PRI_LOWESTLDR.W R2,[R0,#0]ORR     R1, R1, R2              /* modify */STR     R1, [R0]                /* write-back */LDR     R0, =ICSR               /* trigger the PendSV exception (causes context switch) */LDR     R1, =PENDSVSET_BIT        ;0x10000000，ICSR 的第 28 位为 PendSV set-pending bit.STR     R1, [R0]                ;Writing 1 to this bit is the only way to set the PendSV exception state to pending.//恢复MSP LDR R0,=SCB_VTORLDR R0,[R0] //读取中断向量表的位置LDR R0,[R0] //读取 SP初始值NOPMSR MSP,R0 ;将SP初始值赋给MSP/* enable interrupts at processor level */CPSIE   FCPSIE   I

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