有声,完美世界,殿上欢

1前言試想與我們相伴的MCU如若只存在裸機程序，那么運行到一個包含延時的線程時，我們的CPU就開始“摸魚”了。為了最大化運行CPU，就需要用到RTOS（RealTime Operating System). 簡單來說，RTOS是一個調度一切可利用的資源完成實時任務，并控制所有實時任務協調一致運行的操作系統，或者說，其內核是一個任務管理的框架。

市面上已存有許多優秀的RTOS，如FreeRTOS、Zephyr、RT-Thread等。許多小伙伴可能在最初接觸RTOS時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習邊構建一個自己的RTOS是一個很好的學習方法，讓我們踏上RTOS的學習之旅！

圖1 RTOS版本

就好像要蓋一座高樓，必然先得考察地勢地貌，地基穩固，才能逐漸添磚加瓦。構建一個RTOS也是同樣道理，需要知道它運行在一個怎樣的架構上，以NXP的RT系列芯片為例，我們需要了解學習ARM Cortex-M系列的架構內容。這是一個非常龐大的體系，這里推薦《ARM Cortex-M3 Cortex-M4權威指南》，是一本不錯的參考書籍。下文將列舉構建一個RTOS所需要的最為核心的內容。

圖2《ARM 圖2 Cortex-M3 Cortex-M4權威指南》

2ARM處理器架構相關內容

2.1 操作模式和狀態? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??圖3操作模式和狀態

Cortex-M系列有兩種操作狀態和兩種模式，并可以區分特權和非特權訪問等級。其中調試狀態只在連接調試器的時候起作用，若處理器在執行程序代碼，則處于Thumb狀態，Cortex-M處理器不支持ARM狀態，所以ARM狀態不存在。

兩種模式為處理模式和線程模式：處理模式用作異常處理，并總具有特權訪問等級；在執行普通的應用程序代碼時，處理器處于線程模式，此時可能處于特權訪問等級也可能處于非特權訪問等級，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制。

2.2 寄存器

Cortex-M處理器在內核中具有多個執行數據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行了分組。以cortex-M4處理器為例，寄存器組中有16個寄存器。

? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??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，用于實現棧存儲的訪問。物理上存在兩個棧指針：主棧指針（MSP）用于處理模式，以及進程棧指針（PSP）只能用于線程模式。R14也被稱為鏈接寄存器，用于函數或子程序調用時返回地址的保存。R15為程序計數器。除了寄存器組中的寄存器之外，處理器中還存在多個特殊的寄存器。下面為幾個較為典型的特殊寄存器：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ?圖5 特殊寄存器其中，程序狀態寄存器包含三個狀態寄存器，用于保存處理的狀態信息。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。

2.3 向量表和系統控制塊

當Cortex-M處理器接受了某種異常請求后，處理器需要確定該異常處理的起始地址，該信息位于存儲器內的向量表中。構建RTOS用到的最為核心的異常為PendSV，其優先級最低，可以被其他中斷打斷，因此通常用作上下文的切換，也就是任務的切換。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖6 中斷向量表

系統控制塊（SCB）中包含了若干用于中斷控制的寄存器，其中有一個與RTOS密切相關的為中斷控制和狀態寄存器（ICSR），通過將第28位進行使能操作，可以觸發我們需要的PendSV中斷異常。

? ? ? ? ? ?? ?圖7 中斷控制和狀態寄存器（ICSR）

3任務切換的實現

上述背景知識是為構建RTOS而提煉的內容，作者在這里建議在開發學習過程中帶著疑問前進，邊學習邊擴展。下面就可以對RTOS的最基本功能——任務切換進行實現。首先我們需要知道，不同于裸機程序，RTOS的每個任務都有獨立的上下文環境，在發生任務切換時，需對每個任務的狀態數據進行保存，那么需要為每個任務配備有獨立的?？臻g。

當觸發任務切換時，需要首先暫停當前任務的執行，并保存當前任務的狀態數據到任務對應的?？臻g，再將棧指針更新到切換的目標任務的棧空間，最后從該?？臻g中恢復其狀態數據，至此完成了任務的切換。圖8 任務切換的步驟

需要注意的是，當PendSV異常觸發時，硬件系統會自動保存xPSR、LC、R12、R3-R0寄存器，R11-R4的壓棧需要代碼實現。除此之外，在任務初始化的時候，也需要對?？臻g進行初始化，并且在系統運行第一個任務時，無需進行壓棧的操作，因此需要判斷任務是否為初始任務，一個較為簡單的辦法是在運行初始任務之前將PSP置0用于判斷，但這樣對系統的運行效率有一定影響，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