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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就開始“摸魚”了。為了最大化運(yùn)行CPU，就需要用到RTOS（RealTime Operating System). 簡(jiǎn)單來說，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，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！

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。

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(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(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)訪問等級(jí)也可能處于非特權(quán)訪問等級(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。

? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??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。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：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?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。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?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(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(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)立的棧空間。

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)的棧空間，再將棧指針更新到切換的目標(biāo)任務(wù)的棧空間，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

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)棧空間進(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。

?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！

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原文標(biāo)題：構(gòu)建RTOS Kernel指南 (上)

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