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操作系统内核技术研究：任务上下文切换

发布于 2021-07-26 12:44:45 浏览：1952 订阅该版

[tocm]

[入门学习笔记 - 目录](https://club.rt-thread.org/ask/article/3420.html)

[操作系统内核技术研究：开篇](https://club.rt-thread.org/ask/article/2905.html)

[操作系统内核技术研究：环境搭建](https://club.rt-thread.org/ask/article/2906.html)

[操作系统内核技术研究：ARM汇编指令](https://club.rt-thread.org/ask/article/2913.html)

[操作系统内核技术研究：STMFD与LDMFD的使用](https://club.rt-thread.org/ask/article/2914.html)

[操作系统内核技术研究：任务上下文切换](https://club.rt-thread.org/ask/article/2918.html)

[操作系统内核技术研究：线程切换与运行](https://club.rt-thread.org/ask/article/2919.html)

## 前言

- 任务(task)或线程(thread)，可以理解为一个个【用户的】功能函数，RTOS内核就是管理这些功能函数的运行逻辑，根据某些策略，如优先级、时间片，在各个运行的函数之间进行切换。

- 为何任务或线程不能【并行】工作，需要切换？原因是一般的MCU，都是单核处理，所以如果想实现多任务，需要分时复用CPU，宏观上，任务在各自的并行运行，微观上，任务根据调度，不断的切换运行，每个时间片，只有一个任务在运行。

- 切换任务，不单单是PC指针的跳转，还需要保存各个任务的现场，【这样任务被打断或切走后，还能正确的再切换回来】，各个任务的现场称之为：任务上下文，context，包括CPU的一些寄存器等

- 像裸机系统，中断来了CPU会【自动保存现场】，自动压栈部分必要的CPU寄存器，这个可以理解为CPU本身的功能【硬件行为】

- 中断处理完后，会执行LR，【弹栈】恢复压栈的CPU寄存器的值，这样PC指针也恢复了，所以程序跳转到上次被中断的地方接着跑，像没被打断过一样，注意被打断的程序【不是】从头开始重新跑。

## 如何切换任务

- 任务或线程切换的实质：【上下文的切换】，上下就是CPU的关键寄存器，也就是寄存器的保存【压栈】与恢复【弹栈】，这样模拟了中断的行为，当然需要涉及【调度器】，用于管理多个任务的切换

- 两个核心问题：

- 任务的切换时的CPU的寄存器保存与恢复
  - 任务调度器，用于多个任务的有序切换

- 每个任务或线程，都要设置一个控制块（结构体），用于保存CPU的一组寄存器，CPU好比【织布机】的梭子，在各个任务之间穿梭运行

- 任务上下文切换时，可能会被外部中断打断，造成寄存器的错误保存，所以一般在上下文切换过程中，需要关闭全局中断响应。

- STM32 ARM架构的MCU，有一个异常：PendSV，可悬起异常。这个PendSV，可以手动Pend，触发PendSV中断，并进入PendSV_Handler 中断处理函数。如果这个PendSV中断的优先级调整到最低，保证其他高优先级的中断处理完成，再进入PendSV中断，在关闭全局中断的情况下进行任务上下文切换，这样实时性得到保证，并能【安全】地进行任务上下文切换。

## 切换流程
- 【被切换任务】上下文SP（栈指针）、【新任务】的上下文SP，作为入参。如果第一次切换任务，则没有【被切换任务】上下文SP。

- 手动Pending PendSV，此时可以被优先级更高的中断打断，等其他优先级高的中断处理完成后，CPU因为PendSV被Pending，进入PendSV_Handler中断处理函数，此时关闭【全局中断响应】，防止任务上下文被中断修改。

- 保存现场，CPU部分寄存器已经压栈，剩余的寄存器，手动压栈，压栈到【被切换任务】上下文的SP中。这样，就完成了上下文的【保存】。

- 再把【新任务】上下文，POP或加载的方式，恢复到CPU寄存器。设置当前的psp 指向【新任务】的上下文的SP。更换了现场（上下文），CPU下次执行，就执行【新任务】了。

- 任务切换，跟普通中断一样，保存、恢复CPU寄存器即可。只是多任务，每个任务都有自己的栈空间，都保存一套CPU寄存器，有自己的SP（栈指针）。

## 自动压栈

- ARM处理器中断时，会自动压栈部分寄存器。

- 上下文切换时，在PendSV中断处理函数中执行前，`psr, pc, lr, r12, r3, r2, r1, r0` CPU 寄存器，会自动压栈，当前运行的被切换线程（from线程）。

## 手动压栈
- 为了保证任务上下文的完整，上下文切换时，CPU 寄存器`r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 r11`，因为没有自动压栈，需要手动压栈，压栈到当前运行的被切换线程（from线程）。

- 注意如果有FPU开启（浮点），还需要压栈浮点相关的寄存器。

## r13寄存器（SP）

- 压栈的寄存器，r0~r12，lr(r14)，pc（r15），还要psr（程序状态寄存器）。少了r13（栈指针寄存器）？这个寄存器，直接设置到了任务控制块，也保存了下来。

## 手动触发PendSV

- STM32可以下载编程手册，里面有ARM寄存器的介绍。PendSV可以手动触发，自己可以写个汇编小函数测试一下。

![2021-07-26_123526.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210726/302193c9d6e3d2164d9d4b53b21bc2ce.png.webp)

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![2021-07-26_124038.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20210726/a97f2636fe0ce4720513ae2fc0ed40df.png.webp)

```c
SCB_ICSR            EQU     0xE000ED04
NVIC_PENDSV_SET     EQU     0x10000000

;/*
; * void trigger_PendSV(void);
; */
trigger_PendSV      PROC
    EXPORT trigger_PendSV
 
    LDR     r0, =SCB_ICSR
    LDR     r1, =NVIC_PENDSV_SET
    STR     r1, [r0]
    BX      LR
    ENDP
```

- 在main中调用：trigger_PendSV，即可进入PendSV_Handler中断处理函数。

- PendSV_Handler这个函数，在STM32启动文件默认为【B .】，也就是while (1)，因为是【weak】属性，所以用户可以重写。

- 任务上下文切换是在：PendSV_Handler中实现的。

## 小结

- 先初步了解任务切换，任务上下文切换的概念。

- 了解PendSV中断特性。

- 后面继续研究任务上下文切换的整个过程。

- 熟悉了任务的切换流程，详细对RTOS就会有了一个【崭新】的认知。