进入OS前的两步：PendSV(任务切换)

STM32嵌入式开发 2023-02-14 1760

描述

先了解下如何使用PendSV异常。为何要使用PendSV而不是其他的异常，请参考《cortex-M3权威指南》。

1 如何设定PendSV优先级？

NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22
NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF
    LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI
    STRB R1, [R0]

2 如何触发PendSV异常？

往ICSR第28位写1，即可将PendSV异常挂起。若是当前没有高优先级中断产生，那么程序将会进入PendSV handler

NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04
NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000


LDR R0, =NVIC_INT_CTRL
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
STR R1, [R0]

3 编写PendSV异常handler

这里用PendSV_Handler来触发LED点亮，以此证明PendSV异常触发的设置是正确的。

#include "stm32f10x_conf.h"


#define LED0 *((volatile unsigned long *)(0x422101a0)) //PA8


unsigned char flag=0;
void LEDInit(void)
{
    RCC->APB2ENR|=1<<2;
    GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;
    GPIOA->CRH|=0X00000003;
    GPIOA->ODR|=1<<8;
}


__asm void SetPendSVPro(void)
{
    NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22
    NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF
    LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI    
    LDR R0, =NVIC_SYSPRI14
    STRB R1, [R0]
    BX LR
}


__asm void TriggerPendSV(void)
{
    NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04
    NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000
    LDR R0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
    STR R1, [R0]
    BX LR
}


int main(void)
{
    SetPendSVPro();
    LEDInit();
    TriggerPendSV();
    while(1);
}


void PendSV_Handler(void)
{
    LED0 = 0;
}

上述代码可以正常点亮LED，说明PendSV异常是正常触发了。 OK，是时候挑战任务切换了。如何实现任务切换？三个步骤：步骤一：在进入中断前先设置PSP。

curr_task = 0;

设置任务0为当前任务：

__set_PSP((PSP_array[curr_task] + 16*4));

设置PSP指向task0堆栈的栈顶位置：

__set_CONTROL(0x3);

设置为用户级，并使用PSP堆栈：

__ISB();

指令同步隔离。步骤二：将当前寄存器的内容保存到当前任务堆栈中。进入ISR时，cortex-m3会自动保存八个寄存器到PSP中，剩下的几个需要我们手动保存。步骤三：在Handler中将下一个任务的堆栈中的内容加载到寄存器中，并将PSP指向下一个任务的堆栈。这样就完成了任务切换。要在PendSV 的ISR中完成这两个步骤，我们先需了解下在进入PendSV ISR时，cortex-M3做了什么？ 1入栈：会有8个寄存器自动入栈。入栈内容及顺序如下：

在步骤一中，我们已经设置了PSP，那这8个寄存器就会自动入栈到PSP所指地址处。 2取向量：找到PendSV ISR的入口地址，这样就能跳到ISR了。, 3更新寄存器内容：做完这三步后，程序就进入ISR了。进入ISR前，我们已经完成了步骤一，cortex-M3已经帮我们完成了步骤二的一部分，剩下的需要我们手动完成。在ISR中添加代码如下：

MRS R0, PSP

保存PSP到R0。为什么是PSP而不是MSP。因为在OS启动的时候，我们已经把SP设置为PSP了。这样使得用户程序使用任务堆栈，OS使用主堆栈，不会互相干扰。不会因为用户程序导致OS崩溃。

STMDB R0!,{R4-R11}

保存R4-R11到PSP中。C语言表达是*(--R0)={R4-R11}，R0中值先自减1，然后将R4-R11的值保存到该值所指向的地址中，即PSP中。 STMDB Rd!，{寄存器列表} 连续存储多个字到Rd中的地址值所指地址处。每次存储前，Rd先自减一次。若是ISR是从从task0进来，那么此时task0的堆栈中已经保存了该任务的寄存器参数。保存完成后，当前任务堆栈中的内容如下(假设是task0) 任务切换

左边表格是预期值，右边是keil调试的实际值。可以看出，是一致的。在任务初始化时(步骤一)，我们将PSP指向任务0的栈顶0x20000080。在进入PendSV之前，cortex-M3自动入栈八个值，此时PSP指向了0x20000060。然后我们再保存R4-R11到0x20000040~0x2000005C。这样很容易看明白，如果需要下次再切换到task0，只需恢复R4~R11，再将PSP指向0x20000060即可。所以切换到另一个任务的代码：

LDR R1,=__cpp(&curr_task)
LDR R3,=__cpp(&PSP_array)
LDR R4,=__cpp(&next_task)
LDR R4,[R4]

获取下一个任务的编号：

STR R4,[R1]
Curr_task=next_task
LDR R0,[R3, R4, LSL #2]

获得任务堆栈地址，若是task0，那么R0=0x20000040( R0=R3+R4*4)

LDMIA R0!,{R4-R11}

恢复堆栈中的值到R4~R11。R4=*(R0++)。执行完后，R0中值变为0x20000060LDMIA Rd! {寄存器列表} 先将Rd中值所指地址处的值送出寄存器中，Rd再自增1.*

MSR PSP, R0
PSP=R0。
BX LR

中断返回。

完整代码：

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_usart.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stdio.h"
#include "misc.h"


#define HW32_REG(ADDRESS)  (*((volatile unsigned long  *)(ADDRESS)))
#define LED0 *((volatile unsigned long *)(0x422101a0)) //PA8
void USART1_Init(void);
void task0(void) ; 
unsigned char flag=1;


uint32_t  curr_task=0;     // 当前执行任务
uint32_t  next_task=1;     // 下一个任务
uint32_t task0_stack[17];
uint32_t task1_stack[17];
uint32_t  PSP_array[4];


u8 task0_handle=1;
u8 task1_handle=1;


void task0(void) 
{ 
    while(1)
    {
        if(task0_handle==1)
        {
            printf("task0
");
            task0_handle=0;
            task1_handle=1;
        }
    }
}


void task1(void)
{
    while(1)
    {
        if(task1_handle==1)
        {
            printf("task1
");
            task1_handle=0;
            task0_handle=1;
        }
    }
}


void LEDInit(void)
{
    RCC->APB2ENR|=1<<2; 
    GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;
    GPIOA->CRH|=0X00000003; 
      GPIOA->ODR|=1<<8;
}


__asm void SetPendSVPro(void)
{
NVIC_SYSPRI14   EQU     0xE000ED22
NVIC_PENDSV_PRI EQU           0xFF
    
    LDR     R1, =NVIC_PENDSV_PRI    
    LDR     R0, =NVIC_SYSPRI14    
    STRB    R1, [R0]
    BX      LR
}


__asm void TriggerPendSV(void)
{
NVIC_INT_CTRL   EQU     0xE000ED04                              
NVIC_PENDSVSET  EQU     0x10000000                              


    LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL                                 
    LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     R1, [R0]
    BX      LR
}


int main(void)
{
    USART1_Init();


    SetPendSVPro();
    LEDInit();
    
    printf("OS test
");
    
    PSP_array[0] = ((unsigned int) task0_stack) + (sizeof task0_stack) - 16*4;
    //PSP_array中存储的为task0_stack数组的尾地址-16*4，即task0_stack[1023-16]地址
    HW32_REG((PSP_array[0] + (14<<2))) = (unsigned long) task0; /* PC */
    //task0的PC存储在task0_stack[1023-16]地址  +14<<2中，即task0_stack[1022]中
    HW32_REG((PSP_array[0] + (15<<2))) = 0x01000000;            /* xPSR */
  
    PSP_array[1] = ((unsigned int) task1_stack) + (sizeof task1_stack) - 16*4;
    HW32_REG((PSP_array[1] + (14<<2))) = (unsigned long) task1; /* PC */
    HW32_REG((PSP_array[1] + (15<<2))) = 0x01000000;            /* xPSR */    
    
    /* 任务0先执行 */
    curr_task = 0; 
     
    /* 设置PSP指向任务0堆栈的栈顶 */
    __set_PSP((PSP_array[curr_task] + 16*4)); 
    
    SysTick_Config(9000000);
    SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8);//72/8=9MHZ     
    /* 使用堆栈指针，非特权级状态 */
    __set_CONTROL(0x3);
    
    /* 改变CONTROL后执行ISB (architectural recommendation) */
    __ISB();
    
    /* 启动任务0 */
    task0();  
    //LED0=0;
    while(1);
}


__asm void PendSV_Handler(void)
{ 
    // 保存当前任务的寄存器内容
    MRS    R0, PSP     // 得到PSP  R0 = PSP
                       // xPSR, PC, LR, R12, R0-R3已自动保存
    STMDB  R0!,{R4-R11}// 保存R4-R11共8个寄存器得到当前任务堆栈
    
    // 加载下一个任务的内容
    LDR    R1,=__cpp(&curr_task)
    LDR    R3,=__cpp(&PSP_array)
    LDR    R4,=__cpp(&next_task)
    LDR    R4,[R4]     // 得到下一个任务的ID
    STR    R4,[R1]     // 设置 curr_task = next_task
    LDR    R0,[R3, R4, LSL #2] // 从PSP_array中获取PSP的值
    LDMIA  R0!,{R4-R11}// 将任务堆栈中的数值加载到R4-R11中
  //ADDS   R0, R0, #0x20
    MSR    PSP, R0     // 设置PSP指向此任务
 // ORR     LR, LR, #0x04   
    BX     LR          // 返回
                       // xPSR, PC, LR, R12, R0-R3会自动的恢复
    ALIGN  4
}


void SysTick_Handler(void)
{
    flag=~flag;
    LED0=flag;
    if(curr_task==0)
        next_task=1;
    else
        next_task=0;
    TriggerPendSV();
}


void USART1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    /* config USART1 clock */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    /* USART1 GPIO config */
    /* Configure USART1 Tx (PA.09) as alternate function push-pull */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);    
    /* Configure USART1 Rx (PA.10) as input floating */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    /* USART1 mode config */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); 
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}


int fputc(int ch, FILE *f)
{
  USART_SendData(USART1, (unsigned char) ch);
  while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));
 
  return (ch);
}

测试后结果如图：

可以看出，两个任务可以切换了。　　审核编辑：汤梓红

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