【RTOS】堆栈与任务栈

目录

• 前言
• 概念
  • 双堆栈指针
    • 要点
  • Cortex-M3寄存器介绍
    • 寄存器图
    • 简要介绍
• 知识
  • 出入栈
    • 入栈（压栈）
    • 出栈
  • 重点知识
    • 异常的响应序列*
      • 入栈
      • 取向量
      • 更新寄存器
      • 小结知识*
  • FreeRTOS任务切换源码分析
• 话语
• 参考

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前言

本笔记基于 stm32+FreeRTOS。

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概念

双堆栈指针

Cortex-M3 和 M4内核具有双堆栈指针。MSP 和 PSP

• MSP：主堆栈指针
• PSP：进程栈指针

要点

• 用户程序、中断和中断嵌套都是用 MSP。
• M3 内核所有寄存器压栈时有64B。
• M4 内核所有寄存器压栈时有200B。（因为FPU（浮点运算单元）也要压栈）

Cortex-M3寄存器介绍

寄存器图

通用寄存器组：

特殊功能寄存器组：

简要介绍

• 通用寄存器 R0-R7

  • R0-R7被称为低组寄存器。
  • 所有指令都能访问它们。
  • 字长全是32位，复位后不可预料。

• 通用寄存器 R8-R12

  • R0-R7被称为高组寄存器。
  • 只有很少16位Thumb指令能访问它们，32位指令不受限制。
  • 字长全是32位，复位后不可预料。

• 堆栈指针 R13（SP）

  • CM3处理器内核中央有两个堆栈指针，分别是MSP和PSP。
  • 当前使用MSP，则PSP只能通过特殊指令（MRS,MSR指令）来访问。
  • MSP：主堆栈指针
    • 缺省的堆栈指针，由OS内核、异常服务例程及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。
  • PSP：线程堆栈指针
    • 用于常规的应用程序代码。
    • 注意：并不是每个应用都需要两个堆栈指针，简单的应用程序只需要MSP即可

• 连接寄存器 R14（LR）

  • 保存调用子程序时返回的地址

• 连接寄存器 R15（PC）

知识

出入栈

出入栈用于上下文切换。

• 例子：stm32F103自动出入栈的寄存器有 R0-R3,R12,LR,PC,xPSR

入栈（压栈）

入栈：上文保存

1. 先自动压栈（进入异常时，硬件自动完成）
2. 再手动压栈

出栈

出栈：下文加载

1. 先手动出栈
2. 再自动出栈（退出异常时，硬件自动完成）

重点知识

异常的响应序列*

参考《Cortex-M3 权威指南》第九章

当CM3开始响应一个中断时，会在它看不见的体内奔涌起三股暗流：

• 入栈：把8个寄存器的值压入栈（硬件完成）
• 取向量：从向量表中找出对应的服务程序入口地址
• 选择堆栈指针MSP/PSP，更新堆栈指针SP，更新连接寄存器LR，更新程序计数器PC

入栈

取向量

更新寄存器

在入栈和取向量的工作都完毕之后，执行服务例程之前，还要更新一系列的寄存器：

• SP：在入栈中会把堆栈指针（PSP或MSP）更新到新的位置。在执行服务例程后，
  将由MSP负责对堆栈的访问。
• PSR：IPSR位段（地处PSR的最低部分）会被更新为新响应的异常编号。
• PC：在向量取出完毕后，PC将指向服务例程的入口地址，
• LR：LR的用法将被重新解释，其值也被更新成一种特殊的值，称为“EXC_RETURN”，并且在异常返回时使用。EXC_RETURN的二进制值除了最低4位外全为1，而其最低4位则有另外的含义。 
  以上是在响应异常时通用寄存器的变化。另一方面，在NVIC中，也伴随着更新了与之相关的若干寄存器。例如，新响应异常的悬起位将被清除，同时其活动位将被置位。

小结知识*

• Cortex-M3 中发生异常时，会硬件压栈；
• Cortex-M3 函数调用时是不会硬件压栈的，需要软件压栈。但是，用C语言时编译器会自动生成压栈的汇编语句。若用汇编编写，则需要手写压栈。
  • 网友一句很好理解的话：
    • 当程序跳到中断向量表时就会硬件自动压栈
• 进入异常后，异常不用LR寄存器（R14）保存返回地址，但是需要使用LR寄存器触发异常返回机制

FreeRTOS任务切换源码分析

__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
	extern uxCriticalNesting;
	extern pxCurrentTCB;
	extern vTaskSwitchContext;

	PRESERVE8

	mrs r0, psp
	isb

	ldr	r3, =pxCurrentTCB		/* Get the location of the current TCB. */
	ldr	r2, [r3]

	stmdb r0!, {r4-r11}			/* Save the remaining registers. */
	str r0, [r2]				/* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */

	stmdb sp!, {r3, r14}
	mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY
	msr basepri, r0
	bl vTaskSwitchContext
	mov r0, #0
	msr basepri, r0
	ldmia sp!, {r3, r14}

	ldr r1, [r3]
	ldr r0, [r1]				/* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
	ldmia r0!, {r4-r11}			/* Pop the registers and the critical nesting count. */
	msr psp, r0
	isb
	bx r14
	nop

• stmdb sp!, {r3, r14}
  • r3 压栈保护，因为调用函数vTaskSwitchContext时可能会用到 r3 寄存器。
  • r14 压栈保护，因为调用函数vTaskSwitchContext时，r14将被改写。

话语

• 任务切换的时候，在PendSV中断函数中，由于任务使用 PSP ，中断使用 MSP。如果在中断函数中调用函数或者中断嵌套时，压栈2，会覆盖 R14。PendSV结束返回时找不到正确的返回机制。

参考

重要参考 《Cortex-M3权威指南》
主要参考野火、安富莱。
主要参考链接Cortex-M3通用寄存器

可能有用的参考中断与子程序调用问题