（学习日记）2024.03.03：UCOSIII第五节：常用汇编指令+OS初始化+启动任务+任务切换

2024-03-04 23:53
文章标签 启动 学习 切换 指令 常用 03 初始化 任务 汇编 日记 os 第五节 ucosiii 2024.03

本文主要是介绍（学习日记）2024.03.03：UCOSIII第五节：常用汇编指令+OS初始化+启动任务+任务切换，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

写在前面：
由于时间的不足与学习的碎片化，写博客变得有些奢侈。
但是对于记录学习（忘了以后能快速复习）的渴望一天天变得强烈。
既然如此
不如以天为单位，以时间为顺序，仅仅将博客当做一个知识学习的目录，记录笔者认为最通俗、最有帮助的资料，并尽量总结几句话指明本质，以便于日后搜索起来更加容易。


标题的结构如下：“类型”：“知识点”——“简短的解释”
部分内容由于保密协议无法上传。


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2024.03.03

  • 十、UCOSIII：常用汇编指令
  • 十一、UCOSIII：OS系统初始化
  • 十二、UCOSIII：启动系统
  • 十三、UCOSIII：任务切换
    • 1、PendSV异常
    • 2、PendSV异常服务函数

十、UCOSIII：常用汇编指令

指令名称作用
EQU给数字常量取一个符号名，相当于C语言中的define
AREA汇编一个新的代码段或者数据段
SPACE分配内存空间
PRESERVE8当前文件栈需按照8字节对齐
EXPORT声明一个标号具有全局属性，可被外部的文件使用
DCD以字为单位分配内存，要求4字节对齐，并要求初始化这些内存
PROC定义子程序，与ENDP成对使用，表示子程序结束
WEAK弱定义，如果外部文件声明了一个标号，则优先使用外部文件定义的标号，如果外部文件没有定义也不出错。要注意的是：这个不是ARM的指令，是编译器的，这里放在一起只是为了方便。
IMPORT声明标号来自外部文件，跟C语言中的EXTERN关键字类似
B跳转到一个标号
ALIGN编译器对指令或者数据的存放地址进行对齐，一般需要跟一个立即数，缺省表示4字节对齐。要注意的是：这个不是ARM的指令，是编译器的，这里放在一起只是为了方便。
END到达文件的末尾，文件结束
IF,ELSE,ENDIF汇编条件分支语句，跟C语言的if else类似
MRS加载特殊功能寄存器的值到通用寄存器
MSR存储通用寄存器的值到特殊功能寄存器
CBZ比较，如果结果为0 就转移
CBNZ比较，如果结果非0 就转移
LDR从存储器中加载字到一个寄存器中
LDR[伪指令]加一个立即数或者一个地址值到一个寄存器。举例：LDR
LDRH从存储器中加载半字到一个寄存器中
LDRB从存储器中加载字节到一个寄存器中
STR把一个寄存器按字存储到存储器中
STRH把一个寄存器存器的低半字存储到存储器中
STRB把一个寄存器的低字节存储到存储器中
LDMIA加载多个字，并且在加载后自增基址寄存器
STMIA存储多个字，并且在存储后自增基址寄存器
ORR按位或
BX直接跳转到由寄存器给定的地址
BL跳转到标号对应的地址，并且把跳转前的下条指令地址保存到LR
BLX跳转到由寄存器REG给出的的地址，并根据REG的LSB切换处理器状态，还要把转移前的下条指令地址保存到LR。ARM(LSB=0)，Thumb(LSB=1)。CM3 只在Thumb中运行，就必须保证reg 的LSB=1，否则一个fault 打过来

为了快速地开关中断， CM3 专门设置了一条 CPS 指令，有 4 种用法
在这里插入图片描述
PRIMASK和FAULTMAST是CM3里面三个中断屏蔽寄存器中的两个，还有一个是BASEPRI， 有关这三个寄存器的详细用法见表

名字功能描述
PRIMASK这是个只有单一比特的寄存器。在它被置1后，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI和硬FAULT可以响应。它的缺省值是0，表示没有关中断。
FAULTMASK这是个只有1个位的寄存器。当它置1时，只有NMI才能响应，所有其他的异常，甚至是硬FAULT，也通通闭嘴。它的缺省值也是0，表示没有关异常。
BASEPRI这个寄存器最多有9位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成 某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号越大，优先级越低）。但若被设成0，则不关闭任何中断，0也是缺省值。

十一、UCOSIII：OS系统初始化

OS系统初始化一般是在硬件初始化完成之后来做的，主要做的工作就是初始化μC/OS-III中定义的全局变量。
OSInit()函数在文件 os_core.c中定义
在这里插入图片描述

/* RTOS初始化
** 初始化全局变量
*/
void OSInit (OS_ERR *p_err)
{OSRunning =  OS_STATE_OS_STOPPED;OSTCBCurPtr = (OS_TCB *)0;OSTCBHighRdyPtr = (OS_TCB *)0;OS_RdyListInit();*p_err = OS_ERR_NONE;
}
  • OSRunning = OS_STATE_OS_STOPPED;
    系统用一个全局变量OSRunning来指示系统的运行状态， 刚开始系统初始化的时候，默认为停止状态，即OS_STATE_OS_STOPPED。
    在这里插入图片描述
  • OSTCBCurPtr = (OS_TCB *)0;
    全局变量OSTCBCurPtr是系统用于指向当前正在运行的任务的TCB指针，在任务切换的时候用得到。
  • OSTCBHighRdyPtr = (OS_TCB *)0;
    全局变量OSTCBHighRdyPtr用于指向就绪任务中优先级最高的任务的TCB，在任务切换的时候用得到。 此处暂时不支持优先级，则用于指向第一个运行的任务的TCB。
  • OS_RdyListInit();
    OS_RdyListInit()用于初始化全局变量OSRdyList[]，即初始化就绪列表。 OS_RdyListInit()在os_core.c文件中定义
  • *p_err = OS_ERR_NONE;
    代码运行到这里表示没有错误，即OS_ERR_NONE。
  • 全局变量OSTCBCurPtr和OSTCBHighRdyPtr均在os.h中定义
    在这里插入图片描述

十二、UCOSIII：启动系统

任务创建好，系统初始化完毕之后，就可以开始启动系统了。系统启动函数OSStart()在os_core.c中定义
在这里插入图片描述

  • if ( OSRunning == OS_STATE_OS_STOPPED )
    系统是第一次启动的话，if 肯定为真，则继续往下运行。

  • OSTCBHighRdyPtr = OSRdyList[0].HeadPtr;
    OSTCBHIghRdyPtr 指向第一个要运行的任务的TCB。 因为暂时不支持优先级，所以系统启动时先手动指定第一个要运行的任务。

  • OSStartHighRdy();
    OSStartHighRdy()用于启动任务切换，即配置PendSV的优先级为最低，然后触发PendSV异常， 在PendSV异常服务函数中进行任务切换。该函数不再返回，在文件os_cpu_a.s中定义，由汇编语言编写
    在这里插入图片描述

  • LDR R0, = NVIC_SYSPRI14
    配置PendSV的优先级为0XFF，即最低。在μC/OS-III中， 上下文切换是在PendSV异常服务程序中执行的，配置PendSV的优先级为最低，从而消灭了在中断服务程序中执行上下文切换的可能。

  • MOVS R0, #0
    设置PSP的值为0，开始第一个任务切换。在任务中， 使用的栈指针都是PSP，后面如果判断出PSP为0，则表示第一次任务切换。

  • LDR R0, =NVIC_INT_CTRL
    触发PendSV异常，如果中断启用且有编写PendSV异常服务函数的话， 则内核会响应PendSV异常，去执行PendSV异常服务函数。

  • CPSIE I
    开中断，因为有些用户在main()函数开始会先关掉中断， 等全部初始化完成后，在启动OS的时候才开中断。
    汇编常用指令作用如下

十三、UCOSIII：任务切换

1、PendSV异常

当调用OSStartHighRdy()函数，触发PendSV异常后，就需要编写PendSV异常服务函数，然后在里面进行任务切换。

PendSV异常服务函数名称必须与启动文件里面向量表中PendSV的向量名一致， 如果不一致则内核是响应不了用户编写的PendSV异常服务函数的，只响应启动文件里面默认的PendSV异常服务函数。

启动文件里面为每个异常都编写好默认的异常服务函数，函数体都是一个死循环，当你发现代码跳转到这些启动文件里面默认的异常服务函数的时候， 就要检查下异常函数名称是否写错了，没有跟向量表里面的一致。

  • PendSV异常服务中主要完成两个工作，
    一是保存上文，即保存当前正在运行的任务的环境参数；
    二是切换下文， 即把下一个需要运行的任务的环境参数从任务栈中加载到CPU寄存器，从而实现任务的切换。

PendSV异常服务中用到了OSTCBCurPtr和OSTCBHighRdyPtr这两个全局变量，这两个全局变量在os.h中定义， 要想在汇编文件os_cpu_a.s中使用，必须将这两个全局变量导入到os_cpu_a.s中
在这里插入图片描述

  • IMPORT OSTCBCurPtr
    IMPORT OSTCBHighRdyPtr
    使用IMPORT关键字将os.h中的OSTCBCurPtr和OSTCBHighRdyPtr这两个全局变量导入到该汇编文件， 从而该汇编文件可以使用这两个变量。如果是函数也可以使用IMPORT导入的方法。

  • EXPORT OSStartHighRdy
    EXPORT PendSV_Handler
    使用EXPORT关键字导出该汇编文件里面的OSStartHighRdy和PendSV_Handler这两个函数， 让外部文件可见。除了使用EXPORT导出外，还要在 某个C的头文件里面声明下这两个函数（在μC/OS-III中是在os_cpu.h中声明），这样才可以在C文件里面调用这两个函数。

2、PendSV异常服务函数

;********************************************************************************************************
;                                          PendSVHandler异常
;********************************************************************************************************
PendSV_Handler
; 任务的保存，即把CPU寄存器的值存储到任务的堆栈中	CPSID   I                                 ; 关中断，NMI和HardFault除外，防止上下文切换被中断	MRS     R0, PSP                           ; 将psp的值加载到R0CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave   ; 判断R0，如果值为0则跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave; 进行第一次任务切换的时候，R0肯定为0;-----------------------一、保存上文-----------------------------
; 任务的切换，即把下一个要运行的任务的栈内容加载到CPU寄存器中
; 在进入PendSV异常的时候，当前CPU的xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0会自动存储到当前任务堆栈，同时递减PSP的值
;--------------------------------------------------------------STMDB   R0!, {R4-R11}                     ; 手动存储CPU寄存器R4-R11的值到当前任务的堆栈LDR     R1, = OSTCBCurPtr                 ; 加载 OSTCBCurPtr 指针的地址到R1，这里LDR属于伪指令LDR     R1, [R1]                          ; 加载 OSTCBCurPtr 指针到R1，这里LDR属于ARM指令STR     R0, [R1]                          ; 存储R0的值到	OSTCBCurPtr->OSTCBStkPtr，这个时候R0存的是任务空闲栈的栈顶;-----------------------二、切换下文-----------------------------
; 实现 OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr
; 把下一个要运行的任务的栈内容加载到CPU寄存器中
; 任务的切换，即把下一个要运行的任务的堆栈内容加载到CPU寄存器中
;--------------------------------------------------------------
OS_CPU_PendSVHandler_nosave  ; OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr;LDR     R0, = OSTCBCurPtr                 ; 加载 OSTCBCurPtr 指针的地址到R0，这里LDR属于伪指令LDR     R1, = OSTCBHighRdyPtr             ; 加载 OSTCBHighRdyPtr 指针的地址到R1，这里LDR属于伪指令LDR     R2, [R1]                          ; 加载 OSTCBHighRdyPtr 指针到R2，这里LDR属于ARM指令STR     R2, [R0]                          ; 存储 OSTCBHighRdyPtr 到 OSTCBCurPtrLDR     R0, [R2]                          ; 加载 OSTCBHighRdyPtr 到 R0LDMIA   R0!, {R4-R11}                     ; 加载需要手动保存的信息到CPU寄存器R4-R11MSR     PSP, R0                           ; 更新PSP的值，这个时候PSP指向下一个要执行的任务的堆栈的栈底（这个栈底已经加上刚刚手动加载到CPU寄存器R4-R11的偏移）ORR     LR, LR, #0x04                     ; 确保异常返回使用的堆栈指针是PSP，即LR寄存器的位2要为1CPSIE   I                                 ; 开中断BX      LR                                ; 异常返回，这个时候任务堆栈中的剩下内容将会自动加载到xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）; 同时PSP的值也将更新，即指向任务堆栈的栈顶。在STM32中，堆栈是由高地址向低地址生长的。NOP                                       ; 为了汇编指令对齐，不然会有警告END                                       ; 汇编文件结束

  • CPSID I
    关中断，NMI和HardFault除外，防止上下文切换被中断。 在上下文切换完毕之后，会重新开中断。

  • MRS R0, PSP
    将PSP的值加载到R0寄存器。MRS是ARM 32位数据加载指令， 功能是加载特殊功能寄存器的值到通用寄存器。

  • CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    判断R0，如果值为0则跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave。进行第一次任务切换的时候， PSP在OSStartHighRdy初始化为0，所以这个时候R0肯定为0，则跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave。 CBZ是ARM16位转移指令，用于比较，结果为0则跳转。

  • STMDB R0!, {R4-R11}
    手动存储CPU寄存器R4-R11的值到当前任务的栈。
    当异常发生，进入PendSV异常服务函数的时候， 当前CPU寄存器xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0会自动存储到当前的任务栈，同时递减PSP的值， 这个时候当前任务的栈空间分布具体见 进入PendSV异常时当前任务的栈空间分布图。
    在这里插入图片描述

  • 当执行STMDB R0!, {R4-R11}代码后， 当前任务的栈空间分布具体见 当前任务执行完上文保存时的栈空间分布图
    在这里插入图片描述

  • STR R0, [R1]
    存储R0的值到OSTCBCurPtr->OSTCBStkPtr， 这个时候R0存的是任务空闲栈的栈顶。到了这里，上文的保存就总算完成。
    这个时候当前任务的栈空间分布和栈指针指向具体见 当前任务执行完上文保存时的栈空间分布和StkPtr指向图
    在这里插入图片描述

  • OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    当第一次任务切换的时候，会跳转到这里运行。当执行过一次任务切换之后， 则顺序执行到这里。这个标号以后的内容属于下文切换。

  • LDR R0, = OSTCBCurPtr
    加载 OSTCBCurPtr 指针的地址到R0。在ARM汇编中，操作变量都属于间接操作， 即要先获取到这个变量的地址。这里LDR属于伪指令，不是ARM指令。举例：LDR Rd, = label，如果label是立即数， 那Rd等于立即数，如果label是一个标识符，比如指针，那存到Rd的就是label这个标识符的地址。

  • STR R2, [R0]
    存储 OSTCBHighRdyPtr 到 OSTCBCurPtr， 实现下一个要运行的任务的TCB存储到OSTCBCurPtr。

  • LDR R0, [R2]
    加载 OSTCBHighRdyPtr 到 R0。TCB中第一个成员是栈指针StkPtr， 所以这个时候R0等于StkPtr，后续操作任务栈都是通过操作R0来实现，不需要操作StkPtr。

  • LDMIA R0!, {R4-R11}
    LDMIA中的I是increase的缩写，A是after的缩小， R0后面的感叹号“！”表示会自动调节R0里面存的指针。
    将任务栈中需要手动加载的内容加载到CPU寄存器R4-R11，同时会递增R0， 让R0指向空闲栈的栈顶，栈空间的分布情况具体见 任务创建成功后栈空间的分布图。
    在这里插入图片描述

  • 当任务被创建的时候，任务的栈会被初始化， 初始化的流程是：
    先让栈指针StkPtr指向栈顶， 然后从栈顶开始依次存储 异常退出时会自动加载到CPU寄存器 的值和 需要手动加载到CPU寄存器 的值， 具体代码实现见OSTaskStkInit()函数。
    当把需要手动加载到CPU的栈内容加载完毕之后，栈空间的分布图和栈指针指向具体见图 手动加载栈内容到CPU寄存器后的栈空间分布图 ， 注意这个时候StkPtr不变，变的是R0。
    在这里插入图片描述

  • MSR PSP, R0
    更新PSP的值，这个时候PSP与图3‑4中R0的指向一致。

  • ORR LR, LR, #0x04
    设置LR寄存器的位2为1，确保异常退出时使用的栈指针是PSP。
    当异常退出后，就切换到就绪任务中优先级最高的任务继续运行。

  • CPSIE I
    开中断。上下文切换已经完成了四分之三，剩下的就是异常退出时自动保存的部分。

  • BX LR
    异常返回，这个时候任务栈中的剩下内容将会自动加载到xPSR，PC（任务入口地址）， R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）这些寄存器。同时PSP的值也将更新，即指向任务栈的栈顶。
    这样就切换到了新的任务。 这个时候栈空间的分布具体见 刚切换完成即将运行的任务的栈空间分布和栈指针指向图
    在这里插入图片描述

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