第3章 进程 - RTOS 进程切换
1 参考文档
6. 线程的定义与线程切换的实现 — [野火]RT-Thread内核实现与应用开发实战——基于STM32 文档
2 定义线程栈
RTOS中存在多线程和线程切换，没有进程的概念；
每个线程都有线程栈，通常是预先定义好的全局数组，存在RAM中。比如定义两个线程栈：
/* 定义线程栈*/
rt_uint8_t rt_flag1_thread_stack[512];
rt_uint8_t rt_flag2_thread_stack[512];
3 定义线程控制块
struct rt_thread，类似Linux中的进程描述符struct_task；
struct rt_thread// (1)
{
void *sp; /* 线程栈指针 */
/* 线程函数名，表示入口地址
* 线程是一个独立的、无限循环且不能返回的函数
*/
void *entry;
void *parameter; /* 线程形参 */
/* 线程栈的起始地址
* 就是刚才分配的rt_flag1_thread_stack和rt_flag2_thread_stack
*/
void *stack_addr;
rt_uint32_t stack_size; /* 线程栈大小，单位为字节 */
rt_list_t tlist; /* 线程链表节点 */
};
/* 定义线程控制块 */
struct rt_thread rt_flag1_thread;
struct rt_thread rt_flag2_thread;线程栈和线程控制块的区别：
- 线程控制块是给用户看的，里面的信息比较抽象和概括
- 线程栈是线程的上下文，也就是线程对应的寄存器的保存位置
4 实现线程创建函数
4.1 初始化线程控制块：rt_thread_init()
调用了初始化线程栈rt_hw_stack_init()，并获取线程栈指针；
rt_err_t rt_thread_init(struct rt_thread *thread,// (1)
void (*entry)(void *parameter),// (2)
void *parameter,// (3)
void *stack_start,// (4)
rt_uint32_t stack_size)// (5)
{
rt_list_init(&(thread->tlist));// (6)
thread->entry ==== (void *)entry;// (7)
thread->parameter ==== parameter;// (8)
thread->stack_addr ==== stack_start;// (9)
thread->stack_size ==== stack_size;// (10)
/* 初始化线程栈，并返回线程栈指针 */
thread->sp ==== (void *)rt_hw_stack_init( thread->entry,
thread->parameter, (void *)((char *)thread->stack_addr + thread->stack_size) );
return RT_EOK;
}
/* 线程就绪列表*/
rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];
/* 调用 */
/* 初始化线程1 */
rt_thread_init(&rt_flag1_thread, /* 线程控制块 */
flag1_thread_entry, /* 线程入口地址 */
RT_NULL, /* 线程形参 */
&rt_flag1_thread_stack[0], /* 线程栈起始地址 */
sizeof(rt_flag1_thread_stack) ); /* 线程栈大小，单位为字节 */
/* 将线程插入到就绪列表 */
rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[0]), &(rt_flag1_thread.tlist) );
/* 初始化线程2 */
rt_thread_init(&rt_flag2_thread, /* 线程控制块 */
flag2_thread_entry, /* 线程入口地址 */
RT_NULL, /* 线程形参 */
&rt_flag2_thread_stack[0], /* 线程栈起始地址 */
sizeof(rt_flag2_thread_stack) ); /* 线程栈大小，单位为字节 */
/* 将线程插入到就绪列表 */
rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[1]), &(rt_flag2_thread.tlist) );
4.2 rt_hw_stack_init()：初始化线程栈
① 相关结构体
struct stack_frame
{
/* r4 ~ r11 register
异常发生时需手动保存的寄存器 */
rt_uint32_t r4;
rt_uint32_t r5;
rt_uint32_t r6;
rt_uint32_t r7;
rt_uint32_t r8;
rt_uint32_t r9;
rt_uint32_t r10;
rt_uint32_t r11;
struct exception_stack_frame exception_stack_frame;
/* 异常发生时自动保存的寄存器 */
rt_uint32_t r0;
rt_uint32_t r1;
rt_uint32_t r2;
rt_uint32_t r3;
rt_uint32_t r12;
rt_uint32_t lr;
rt_uint32_t pc;
rt_uint32_t psr;
};② 实现
/* 线程栈初始化 */
rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry,// (1)
void *parameter,// (2)
rt_uint8_t *stack_addr)// (3)
{
struct stack_frame *stack_frame;// (4)
rt_uint8_t *stk;
unsigned long i;
/* 获取栈顶指针 */
stk ==== stack_addr;
/* stk指针继续向下移动sizeof(struct stack_frame)个偏移 */
stk -= sizeof(struct stack_frame);// (7)
/* 将stk指针强制转化为stack_frame类型后存到stack_frame */
stack_frame ==== (struct stack_frame *)stk;// (8)
/* 以stack_frame为起始地址，将栈空间里面的sizeof(struct stack_frame)
个内存初始化为0xdeadbeef */
for (i = 0; i < sizeof(struct stack_frame) / sizeof(rt_uint32_t); i ++)// (9)
{
((rt_uint32_t *)stack_frame)[i] = 0xdeadbeef;
}
/* 初始化异常发生时自动保存的寄存器 —— 在哪里自动保存？*/ // (10)
stack_frame->exception_stack_frame.r0 ==== (unsigned long)parameter; /* r0 : argument */
stack_frame->exception_stack_frame.r1 ==== 0; /* r1 */
stack_frame->exception_stack_frame.r2 ==== 0; /* r2 */
stack_frame->exception_stack_frame.r3 ==== 0; /* r3 */
stack_frame->exception_stack_frame.r12 ==== 0; /* r12 */
stack_frame->exception_stack_frame.lr ==== 0; /* lr */
stack_frame->exception_stack_frame.pc ==== (unsigned long)tentry; /* entry point, pc */
stack_frame->exception_stack_frame.psr ==== 0x01000000L; /* PSR */
/* 返回线程栈指针，指向stack_frame，或者说，指向r4 */
return stk;// (11)
}- 初始化线程栈，其实就是初始化线程栈中靠近栈顶位置的stack_frame结构体
- stack_frame->expection_stack_frame.r0、pc、psr分别是入参、线程函数指针和PSR值
- stack_frame的r4~r10暂时不用保存
③ 示意图
- 线程栈地址是ThreadStk[0]，也就是rt_flag1_thread_stack数组的地址
- 线程栈地址不是线程栈指针，后者也就是线程控制块中的sp，指的是存放r4~psr的一块区域的地址，也就是指向r4
- 从线程栈地址找到线程栈指针，需要从线程栈栈顶往下偏移来找
5 实现调度器
5.1 调度器初始化
/* 初始化系统调度器 */
void rt_system_scheduler_init(void)
{
register rt_base_t offset;// (1)
/* 线程就绪列表初始化 */
for (offset ==== 0; offset < RT_THREAD_PRIORITY_MAX; offset ++)// (2)
{
rt_list_init(&rt_thread_priority_table[offset]);
}
/* 初始化当前线程控制块指针 */
rt_current_thread ==== RT_NULL;// (3)
}
5.2 启动调度器
/* 启动系统调度器 */
void rt_system_scheduler_start(void)
{
register struct rt_thread *to_thread;
/* 手动指定第一个运行的线程 */// (1)
to_thread ==== rt_list_entry(rt_thread_priority_table[0].next,
struct rt_thread,
tlist);
rt_current_thread ==== to_thread;// (2)
/* 切换到第一个线程，该函数在context_rvds.S中实现，在rthw.h声明，用于实现第一次任务切换。
* 当一个汇编函数在C文件中调用的时候，如果有形参，则执行的时候会将形参传入到CPU寄存器r0。
* 注意，这里传入的参数是线程栈指针的指针！
*/
rt_hw_context_switch_to((rt_uint32_t)&to_thread->sp); // (3)
}
6 线程切换
6.1 rt_hw_context_switch_to()
;*************************************************************************
; 全局变量
; IMPORT用于导入全局变量
; 在该函数中需要修改这些全局变量，并在其他地方要用到
;*************************************************************************
IMPORT rt_thread_switch_interrupt_flag ; PendSV中断服务函数执行标志
IMPORT rt_interrupt_from_thread ; 用于存储上一个线程的栈的sp的指针
IMPORT rt_interrupt_to_thread ; 用于存储下一个将要运行的线程的栈的sp的指针
;*************************************************************************
; 常量 (5)
;*************************************************************************
;-------------------------------------------------------------------------
;有关内核外设寄存器定义可参考官方文档：STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual
;系统控制块外设SCB地址范围：0xE000ED00-0xE000ED3F
;-------------------------------------------------------------------------
SCB_VTOR EQU 0xE000ED08 ; 向量表偏移寄存器
NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; 中断控制状态寄存器
NVIC_SYSPRI2 EQU 0xE000ED20 ; 系统优先级寄存器(2)
NVIC_PENDSV_PRI EQU 0x00FF0000 ; PendSV 优先级值 (lowest)
NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; 触发PendSV exception的值
;*************************************************************************
; 代码产生指令
; AERA表示汇编一个新的数据段或者代码段
; .text表示段名字，如果段名不是以字母开头，而是以其它符号开头则需要在段名两边加上‘|’
; CODE表示为代码
; READONLY表示只读
; ALIGN=2，表示当前文件指令要2^2字节对齐
; THUMB表示THUMB指令代码
; REQUIRE8和PRESERVE8均表示当前文件的栈按照8字节对齐
;*************************************************************************
AREA |.text|, CODE, READONLY, ALIGN=2
THUMB
REQUIRE8
PRESERVE8
;/*
; *-----------------------------------------------------------------------
; * 函数原型：void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 to);
; * r0 --> to
; * 该函数用于开启第一次线程切换
; *-----------------------------------------------------------------------
; */
rt_hw_context_switch_to PROC ; PROC表示函数开始
; 导出rt_hw_context_switch_to，让其具有全局属性，可以在C文件调用
EXPORT rt_hw_context_switch_to
;*************************************************************************
; 当一个汇编函数在C文件 中调用的时候：
; 如果有一个形参，则执行的时候会将这个形参传入到CPU寄存器r0；
; 如果有两个形参，第二个则传入到r1;
; 这里r0保存的是rt_hw_context_switch_to()的第一个参数（也就是唯一参数）to_thread->sp
;*************************************************************************
; 设置rt_interrupt_to_thread的值 (8)
;将rt_interrupt_to_thread的地址加载到r1
LDR r1, =rt_interrupt_to_thread (8)-1
;将r0的值存储到rt_interrupt_to_thread
STR r0, [r1] (8)-2
; 设置rt_interrupt_from_thread的值为0，表示启动第一次线程切换 (9)
;将rt_interrupt_from_thread的地址加载到r1
LDR r1, =rt_interrupt_from_thread (9)-1
;配置r0等于0
MOV r0, #0x0 (9)-2
;将r0的值存储到rt_interrupt_from_thread
STR r0, [r1] (9)-3
; 设置中断标志位rt_thread_switch_interrupt_flag的值为1 (10)
;将rt_thread_switch_interrupt_flag的地址加载到r1
LDR r1, =rt_thread_switch_interrupt_flag (10)-1
;配置r0等于1
MOV r0, #1 (10)-2
;将r0的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag
STR r0, [r1] (10)-3
; 设置 PendSV 异常的优先级
LDR r0, =NVIC_SYSPRI2
LDR r1, =NVIC_PENDSV_PRI
LDR.W r2, [r0,#0x00] ; 读
ORR r1,r1,r2 ; 改
STR r1, [r0] ; 写
; 触发 PendSV 异常 (产生上下文切换) (12)
LDR r0, =NVIC_INT_CTRL
LDR r1, =NVIC_PENDSVSET
STR r1, [r0]
; 开中断
CPSIE F (13)
CPSIE I
; 永远不会到达这里
ENDP ; 表示函数结束，和PROC成对使用
ALIGN 4 (3)
END (2)进入PendSV前的准备：
- 设置from_thread、to_thread和interrupt_flag
- 触发PendSV中断
接下来利用（PendSV）中断来实现线程切换，中断可以访问线程上下文，在中断中把线程上下文替换了。
注意：
这里没有改变rt_interrupt_from_thread和rt_interrupt_to_thread是线程栈sp（指针）的指针的属性；
也就是触发中断时，中断函数获取的这两个参数都是双重指针。
6.2 PendSV_Handler()中断函数
;/*
; *-----------------------------------------------------------------------
; * void PendSV_Handler(void);
; * r0 --> switch from thread stack
; * r1 --> switch to thread stack
; * psr, pc, lr, r12, r3, r2, r1, r0 are pushed into [from] stack
; *-----------------------------------------------------------------------
; */
PendSV_Handler PROC
EXPORT PendSV_Handler
; 失能中断，为了保护上下文切换不被中断 (1)
MRS r2, PRIMASK
CPSID I
; *-----------------------------------------------------------------------
; 获取中断标志位，看看是否为0，正常情况不应该为0，为0则退出 (2)
; 可以看下汇编获取全局变量的值，都需要两步：先把地址存放到寄存器，然后从寄存器拿到值，存放到另一个寄存器
; *-----------------------------------------------------------------------
; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的地址到r0
LDR r0, ====rt_thread_switch_interrupt_flag (2)-1
; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的值到r1
LDR r1, [r0] (2)-2
; 判断r1是否为0，为0则跳转到pendsv_exit
CBZ r1, pendsv_exit (2)-3
; r1不为0则清0 (3)
MOV r1, #0x00
; 将r1的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag，即清0
STR r1, [r0]
; 判断rt_interrupt_from_thread的值是否为0 (4)
; 加载rt_interrupt_from_thread的地址到r0
LDR r0, ====rt_interrupt_from_thread (4)-1
; 加载rt_interrupt_from_thread的值到r1
LDR r1, [r0] (4)-2
; 判断r1是否为0，为0则跳转到switch_to_thread
; 第一次线程切换时rt_interrupt_from_thread肯定为0，则跳转到switch_to_thread
CBZ r1, switch_to_thread (4)-3
; ======================== 上文保存
; 当进入PendSVC Handler时，上一个线程运行的环境即：
; xPSR，PC（线程入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（线程的形参）
; 这些CPU寄存器的值会自动保存到线程的栈中，剩下的r4~r11需要手动保存
; 获取线程栈指针到r1
MRS r1, psp (6)-1
;将CPU寄存器r4~r11的值存储到r1指向的地址
;从r11开始操作（存到寄存器中），每操作一次地址将递减一次
;最后r1指向有效数据最低位
;类似memcpy(r1, [r4, r11], sizeof([r4, r11])
STMFD r1!, {r4 - r11} (6)-2
; ====================== 当前线程栈指针 -> r0
; 加载r0指向值到r0，即r0====rt_interrupt_from_thread，这是上一步加载过的
LDR r0, [r0] (6)-3
; 将r1的值存储到r0，即更新当前线程栈sp
STR r1, [r0] (6)-4
; ====================== 目标线程栈指针 -> r1
switch_to_thread
; 加载rt_interrupt_to_thread的地址到r1
; rt_interrupt_to_thread是一个全局变量，里面存的是线程栈指针SP的指针
LDR r1, ====rt_interrupt_to_thread (5)-1
; 加载rt_interrupt_to_thread的值到r1，即sp指针的指针
LDR r1, [r1] (5)-2
; 加载rt_interrupt_to_thread的值到r1，即sp
LDR r1, [r1] (5)-3
; ======================== 下文加载
;将线程栈指针r1(操作之前先递减)指向的内容加载到CPU寄存器r4~r11
; 线程切换的核心，就是psp指针的替换，以及cpu寄存器内容的替换
LDMFD r1!, {r4 - r11} (5)-4
; ========================= psp替换
;将线程栈指针更新到PSP
MSR psp, r1 (5)-5
pendsv_exit
; 恢复中断
MSR PRIMASK, r2 (7)
; 确保异常返回使用的栈指针是PSP，即LR寄存器的位2要为1
ORR lr, lr, #0x04 (8)
; 异常返回，这个时候栈中的剩下内容将会自动加载到CPU寄存器：
; xPSR，PC（线程入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（线程的形参）
; 同时PSP的值也将更新，即指向线程栈的栈顶
BX lr (9)
; PendSV_Handler 子程序结束
ENDP (10)当进入PendSVC Handler时，上一个线程运行的环境即：xPSR，PC（线程入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（线程的形参）这些CPU寄存器的值会自动保存到线程的栈中；
剩下的PSP和r4~r11需要手动保存；
中断完成之后，CPU寄存器的r4-r11，xPSR，PSP已经改变；通过psp线程栈指针，可以很方便的找到线程控制块及其成员特别是线程入口函数，至此CPU完成线程切换。
7 系统调度
7.1 rt_schedule()
/* 系统调度 */
void rt_schedule(void)
{
struct rt_thread *to_thread;
struct rt_thread *from_thread;
/* 两个线程轮流切换 */// (1)
if( rt_current_thread ======== rt_list_entry( rt_thread_priority_table[0].next,
struct rt_thread,
tlist) )
{
from_thread ==== rt_current_thread;
to_thread ==== rt_list_entry( rt_thread_priority_table[1].next,
struct rt_thread,
tlist);
rt_current_thread ==== to_thread;
}
else// (2)
{
from_thread ==== rt_current_thread;
to_thread ==== rt_list_entry( rt_thread_priority_table[0].next,
struct rt_thread,
tlist);
rt_current_thread ==== to_thread;
}// (3)
/* 产生上下文切换 */
rt_hw_context_switch((rt_uint32_t)&from_thread->sp,(rt_uint32_t)&to_thread->sp);
}
7.2 rt_hw_contex_switch()
;/*
; *----------------------------------------------------------------------
; * void rt_hw_context_switch(rt_uint32 from, rt_uint32 to);
; * r0 --> from
; * r1 --> to
; *----------------------------------------------------------------------
; */
rt_hw_context_switch PROC
EXPORT rt_hw_context_switch
; 设置中断标志位rt_thread_switch_interrupt_flag为1 (1)
; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的地址到r2
LDR r2, ====rt_thread_switch_interrupt_flag (1)-1
; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的值到r3
LDR r3, [r2] (1)-2
;r3与1比较，相等则执行BEQ指令，否则不执行
CMP r3, #1 (1)-3
BEQ _reswitch
; 设置r3的值为1
MOV r3, #1 (1)-4
; 将r3的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag，即置1
STR r3, [r2] (1)-5
; 设置rt_interrupt_from_thread的值 (2)
; 加载rt_interrupt_from_thread的地址到r2
LDR r2, ====rt_interrupt_from_thread (2)-1
; 存储r0的值到rt_interrupt_from_thread，即上一个线程栈指针sp的指针
STR r0, [r2] (2)-2
_reswitch
; 设置rt_interrupt_to_thread的值 (3)
; 加载rt_interrupt_to_thread的地址到r2
LDR r2, ====rt_interrupt_to_thread (3)-1
; 存储r1的值到rt_interrupt_from_thread，即下一个线程栈指针sp的指针
STR r1, [r2] (3)-2
; 触发PendSV异常，实现上下文切换 (4)
LDR r0, ====NVIC_INT_CTRL
LDR r1, ====NVIC_PENDSVSET
STR r1, [r0]
; 子程序返回
BX LR (5)
; 子程序结束
ENDP (6)- 和rt_hw_context_switch_to()逻辑雷同，只不过少了from_thread为0和开PendSV中断（只需要做一次）的操作
8 main()
/*
*************************************************************************
* 包含的头文件
*************************************************************************
*/
#include <rtthread.h>
#include "ARMCM4.h"
/*
*************************************************************************
* 全局变量
*************************************************************************
*/
rt_uint8_t flag1;
rt_uint8_t flag2;
/* 每个线程都有一个优先级列表 */
extern rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];
/*
*************************************************************************
* 线程控制块 & STACK & 线程声明
*************************************************************************
*/
/* 定义线程控制块 */
struct rt_thread rt_flag1_thread;
struct rt_thread rt_flag2_thread;
ALIGN(RT_ALIGN_SIZE)
/* 定义线程栈 */
rt_uint8_t rt_flag1_thread_stack[512];
rt_uint8_t rt_flag2_thread_stack[512];
/* 线程声明 */
void flag1_thread_entry(void *p_arg);
void flag2_thread_entry(void *p_arg);
/*
*************************************************************************
* 函数声明
*************************************************************************
*/
void delay(uint32_t count);
/************************************************************************
* @brief main函数
* @param 无
* @retval 无
*
* @attention
***********************************************************************
*/
int main(void)
{
/* 硬件初始化 */
/* 将硬件相关的初始化放在这里，如果是软件仿真则没有相关初始化代码 */
/* 调度器初始化 */
rt_system_scheduler_init();
/* 初始化线程 */
rt_thread_init( &rt_flag1_thread, /* 线程控制块 */
flag1_thread_entry, /* 线程入口地址 */
RT_NULL, /* 线程形参 */
&rt_flag1_thread_stack[0], /* 线程栈起始地址 */
sizeof(rt_flag1_thread_stack) ); /* 线程栈大小，单位为字节 */
/* 将线程插入到就绪列表 */
rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[0]),&(rt_flag1_thread.tlist) );
/* 初始化线程 */
rt_thread_init( &rt_flag2_thread, /* 线程控制块 */
flag2_thread_entry, /* 线程入口地址 */
RT_NULL, /* 线程形参 */
&rt_flag2_thread_stack[0], /* 线程栈起始地址 */
sizeof(rt_flag2_thread_stack) ); /* 线程栈大小，单位为字节 */
/* 将线程插入到就绪列表 */
rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[1]),&(rt_flag2_thread.tlist) );
/* 启动系统调度器 */
rt_system_scheduler_start();
}
/*
*************************************************************************
* 函数实现
*************************************************************************
*/
/* 软件延时 */
void delay (uint32_t count)
{
for(; count!====0; count--);
}
/* 线程1 */
void flag1_thread_entry( void *p_arg )
{
for( ;; )
{
flag1 ==== 1;
delay( 100 );
flag1 ==== 0;
delay( 100 );
/* 线程切换，这里是手动切换 */
rt_schedule();// (注意)
}
}
/* 线程2 */
void flag2_thread_entry( void *p_arg )
{
for( ;; )
{
flag2 ==== 1;
delay( 100 );
flag2 ==== 0;
delay( 100 );
/* 线程切换，这里是手动切换 */
rt_schedule();// (注意)
}
}
9 汇编翻译
; MOV： 直接赋值
; r1 = 0x00
MOV r1, #0x00
; LDR： 取址
; r0 = &rt_interrupt_from_thread
LDR r0, ====rt_interrupt_from_thread
; r0 = *r0
LDR r0, [r0]
; 修改全局变量的方法固定：
; ① 将全局变量地址加载到寄存器r1
LDR r1, = rt_xxx
; ② 设置好寄存器r0的值
MOV r0, #0x0
; ③ 将r0的值赋值给全局变量
r0, [r1]
; STR： 通过地址赋值
; *r0 = r1
STR r1, [r0]
; LDR和STR组合
LDR r0, ====xxx
str r1, [r0]
; CBZ：跳转
; if(r1) goto switch_to_thread
CBZ r1, switch_to_thread
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