rtos最小任务切换的实现 keil软件仿真 stm32 PendSV

最小任务切换的实现

本例子实现了一个 rtos 最小的任务切换功能，使用 keil 仿真功能，在模拟的 stm32f103 的器件上实现了使用 PendSV 中断切换线程的效果。
git 源码仓库：https://github.com/yutianos/rtos-little
本文链接：csdn@LeiCoder 将持续更新
https://blog.csdn.net/qq_29832469/article/details/139330311

环境基础

  • win11
  • keil v5.39
  • ArmClang.exe V6.21

技术基础

  • cortex-m3 架构中，在中断模式下（Handler）使用 MSP，在用户模式（Thread）模式下使用 PSP 作为栈指针。使用 msr msp, r0 指令来设置 MSP 寄存器，寄存器的值为栈的高地址。
  • cortex-m3 架构中，栈的增长方向为递减，向栈内压入数据，栈指针的地址的数值减小，并且栈的指针指向最新的数据。
  • cortex-m3 架构中，在进入中断模式时，硬件会自动将 [r0 r1 r2 r3 r12 r14(LR) r15(pc) xpsr] 一共 8 个寄存器压入栈内，且压入顺序固定
  • cortex-m3 架构中，从中断模式返回时，Cortex-M3 处理器支持不同的异常返回方式，这些方式由 LR 寄存器中的特定值指示。当处理器从异常（例如中断或系统调用）返回时，它会检查 LR 寄存器的值以确定返回方式和堆栈指针。常见的异常返回值包括：
0xFFFFFFF1：返回到特权模式，使用 MSP（Main Stack Pointer）。
0xFFFFFFF9：返回到特权模式，使用 MSP（这是硬件自动保存的值）。
0xFFFFFFFD：返回到线程模式，使用 PSP（Process Stack Pointer）。
  • cortex-m3 架构中，通常使用 PendSV 中断来切换线程，由于它可以方便通过软件触发，是一个系统级中断，而且使用中我们将其优先级配置为最低，保证其他中断事务处理完成之后才进行任务切换。
  • cortex-m3 架构中，有一个 systick 定时器，用它作为系统的时基。

实现步骤

  1. 设计使用 systick 作为时基。设置成为一个周期触发的事件，用来检查是否需要切换任务，并触发 PendSV 中断。代码如下，这个配置是来自 freertos，详细内容见 systick.c 文件。
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY    255
/* Constants required to manipulate the core.  Registers first... */
#define portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG             ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e010 ) )
#define portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG             ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e014 ) )
#define portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG    ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xe000e018 ) )
#define portNVIC_SHPR3_REG                    ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed20 ) )
/* ...then bits in the registers. */
#define portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT              ( 1UL << 2UL )
#define portNVIC_SYSTICK_INT_BIT              ( 1UL << 1UL )
#define portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT           ( 1UL << 0UL )
#define portNVIC_SYSTICK_COUNT_FLAG_BIT       ( 1UL << 16UL )
#define portNVIC_PENDSVCLEAR_BIT              ( 1UL << 27UL )
#define portNVIC_PEND_SYSTICK_SET_BIT         ( 1UL << 26UL )
#define portNVIC_PEND_SYSTICK_CLEAR_BIT       ( 1UL << 25UL )#define portNVIC_PENDSV_PRI                   ( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 16UL )
#define portNVIC_SYSTICK_PRI                  ( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 24UL )/* Constants required to check the validity of an interrupt priority. */
#define portFIRST_USER_INTERRUPT_NUMBER       ( 16 )
#define portNVIC_IP_REGISTERS_OFFSET_16       ( 0xE000E3F0 )
#define portAIRCR_REG                         ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xE000ED0C ) )
#define portMAX_8_BIT_VALUE                   ( ( uint8_t ) 0xff )
#define portTOP_BIT_OF_BYTE                   ( ( uint8_t ) 0x80 )
#define portMAX_PRIGROUP_BITS                 ( ( uint8_t ) 7 )
#define portPRIORITY_GROUP_MASK               ( 0x07UL << 8UL )
#define portPRIGROUP_SHIFT                    ( 8UL )/* Masks off all bits but the VECTACTIVE bits in the ICSR register. */
#define portVECTACTIVE_MASK                   ( 0xFFUL )#define portNVIC_INT_CTRL_REG     ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed04 ) )
#define portNVIC_PENDSVSET_BIT    ( 1UL << 28UL )static long g_lsystimetick = 0;
int getCanditask (void);/* Scheduler utilities. */
#define portYIELD()                                 \
{                                                   \/* Set a PendSV to request a context switch. */ \portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT; \__asm( "	dsb");                                \__asm( "	isb");                                \
}void trigger_pendsv(void) {portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
}void init_pendsv_priority(void) {portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
}
void init_ticktimer_priority(void) {portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;
}#define configSYSTICK_CLOCK_HZ  (74 * 1000 * 100)
#define configTICK_RATE_HZ      (1000) 
#define portMAX_24_BIT_NUMBER                 ( 0xffffffUL )
void vPortSetupTimerInterrupt( void )
{int ulTimerCountsForOneTick;int xMaximumPossibleSuppressedTicks; /* Calculate the constants required to configure the tick interrupt. */{ulTimerCountsForOneTick = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ );xMaximumPossibleSuppressedTicks = portMAX_24_BIT_NUMBER / ulTimerCountsForOneTick;//ulStoppedTimerCompensation = portMISSED_COUNTS_FACTOR / ( configCPU_CLOCK_HZ / configSYSTICK_CLOCK_HZ );}/* Stop and clear the SysTick. */portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = 0UL;portNVIC_SYSTICK_CURRENT_VALUE_REG = 0UL;/* Configure SysTick to interrupt at the requested rate. */portNVIC_SYSTICK_LOAD_REG = ( configSYSTICK_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ ) - 1UL;portNVIC_SYSTICK_CTRL_REG = ( portNVIC_SYSTICK_CLK_BIT | portNVIC_SYSTICK_INT_BIT | portNVIC_SYSTICK_ENABLE_BIT );
}
void nSysTick_Handler (void)
{g_lsystimetick++;// select candiate taskgetCanditask ();trigger_pendsv();
  1. 创建任务。
    需要配置任务的入口地址，任务的栈空间，且必须将栈空间初始化。下面的代码使用简单的方法
struct taskpcb {void *pstktop;void *pentry;void *param;char stack[512-12];
};#define TASK_MAX  5
#define DEFAULT_XPSR   (0x01000000)
#define DEFAULT_LD     (0xFFFFFFFD)
static struct taskpcb TCB[TASK_MAX];
static struct taskpcb NullTask;static struct taskpcb *tasklist[TASK_MAX];struct taskpcb *pcurtasktcb;
struct taskpcb *pcanditasktcb;struct taskpcb * getfreetcb (void);
int regitserTask (struct taskpcb *ptcb);
int create_task (void *pentry,void *param);int getCanditask (void)
{static int i = -1;do {if (i < TASK_MAX - 1) i++;else i = 0;pcanditasktcb = tasklist[i];}while (pcanditasktcb == NULL);//printf("pcurtasktcb: [%p] = %p  -->%p\r\n", &pcurtasktcb, pcurtasktcb, pcurtasktcb->pstktop);return  0;
}
struct taskpcb * getfreetcb (void)
{int  i;for (i = 0; i < TASK_MAX; i++){if(TCB[i].pentry == NULL) return (&TCB[i]);}return  NULL;
}int regitserTask (struct taskpcb *ptcb)
{int  i;for (i = 0; i < TASK_MAX; i++) {if(tasklist[i] == NULL) {tasklist[i] = ptcb;return  0;}}return -1;
}int create_task (void *pentry,void *param)
{struct taskpcb *ptcb = NULL;long  *pstktop = NULL;ptcb = getfreetcb();pstktop = (long *)&ptcb->stack[sizeof(ptcb->stack) - 32];ptcb->pentry = pentry;*(pstktop--) = 0x01000000L;*(pstktop--) = (intptr_t) pentry; //pc*(pstktop--) = DEFAULT_LD;*(pstktop--) = 0x12121212L;*(pstktop--) = 0x03030303;*(pstktop--) = 0x02020202;*(pstktop--) = 0x01010101;*(pstktop--) = (intptr_t) param; // r0 param
// save r4 - r11*(pstktop--) = 0x11111111;*(pstktop--) = 0x10101010;*(pstktop--) = 0x09090909;*(pstktop--) = 0x08080808;*(pstktop--) = 0x77777777;*(pstktop--) = 0x66666666;*(pstktop--) = 0x55555555;*(pstktop) = 0x44444444;ptcb->pstktop = pstktop;printf("task: 0x%p stack: 0x%p\r\n", ptcb, pstktop);return  regitserTask(ptcb);
}void start_task1 (void)
{int  *new_psp;void *taskentry;pcurtasktcb = &NullTask;pcanditasktcb = NULL;NullTask.pstktop = &NullTask.stack[sizeof(NullTask.stack)];//wait systick schedulewhile(1){}
}
  1. 在 nSysTick_Handler 里触发 PendSV 中断
void nSysTick_Handler (void) 
{trigger_pendsv();
}
  1. 在 PendSV 里面进行线程切换，需要 2 个变量，一个是当前的任务控制块，用来保存当前的寄存器到它的任务栈。一个是候选的任务控制块，用来恢复寄存器的数据。
AREA    |.text|, CODE, READONLYEXPORT  PendSV_HandlerIMPORT  pcurtasktcbIMPORT  pcanditasktcbPendSV_Handler
; save r4 - r11 ---> stackmrs r0, pspSTMDB r0!, {r4-r11}  ; r0 = new stack top; save to task ctx ldr r1, =pcurtasktcb   ; pcurtasktcb = point to current task ctxldr r3, [r1]           ; r3 = *pcurtasktcbstr r0, [r3]           ; save new stack to ; switch to new taskldr r2, =pcanditasktcb  ; ldr r2, [r2]  ; r2 = *pcanditasktcbstr r2, [r1]  ; save ldr r2, [r2]LDMIA r2!, {r4-r11}; update psp regmsr psp, r2BX  lrEND

工程使用方法：

下载 keil v5.39，打开本工程，编译通过。点击仿真按钮进行仿真，可以在控制输出的窗口中看到循环打印。

keil仿真

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