RTOS内功修炼记 | 深度解析RTOS内核上下文切换机制

Posted 2022-07-31 Mculover666

一、风平浪静的程序世界

芯片上电的那一刻，犹如小船撑起了帆，开始远航。

这艘小船上，PC寄存器负责航行路线，按照路线图（可执行固件）告诉船长（CPU）接下来该往走哪个方向，船长在走的时候，还要依赖R0-R12这些通用寄存器来完成一些基本的计算。

这一路上，还会遇到很多的港口，船长有点不太安分想进港玩玩，但这个时候PC指针不干了：

“船长，我自己只能无脑的向前冲，现在我们要偏离路线进港的话，有可能会回不来了”！

船长一听，这问题不大啊，喊过来LR寄存器：

“你记一下现在的位置，我们待会进港玩完了要回来这里，一船人的性命就交给你了，你可得记好呀！”

LR寄存器把地址记在了自己的身上，大家开心的进港玩耍。

灯红酒绿的港口里，这个小国家有着自己的货币，但是这些货币离开港口之后就没什么用了，机智的船长想到了一个好主意。

他叫过来了SP指针：“听说你很能装是吧？”

SP指针小声bb：“也不是很能装，装多了会炸。”

船长：“交给你一个任务，我们现在去兑点这个国家的货币，先存到你这里，无论怎么用，在我们离开这个地方的时候，记得都给清空了～”

船上的人因为有了SP指针，所以不停的花钱存钱，在这个小港口玩的很开心。

在离开的时候，SP指针清空了所有属于这个港口的东西，它们只属于这里，能带走的也许仅仅只有美好的回忆吧。

接着LR寄存器告诉PC指针当初那个偏离航线的地址，外面的世界再精彩，他们不会忘记当初为什么要出发。

PC指针回到了离开航线的那个地方，开始继续无脑的继续向前冲。

船上的人各司其职，井井有序，一只小船平稳的向前航行，风平浪静。

二、风暴来临

远航的路上总要经历点风浪。

这天突然风暴来临（发生了中断），小船上的人们都开始切换到战斗模式，准备应对。

CPU当机离断：“赶紧先保存当前现场，不要被毁了！”

R0、R1、R2、R3、R12寄存器首当其冲，先将自己的值存到了SP那里。

接着是LR寄存器和PC指针，也将自己的值存到了SP那里。

最后是程序状态寄存器xPSR，也将自己的值存了进去。

这下好了，工作现场都被保存起来，大家都可以放心的去应对风暴（执行中断服务函数），只要不被风暴干翻，风暴过后还可以继续航行。

中断服务函数执行完毕后，风暴总算应对过去了，小船又可以远航了。

xPSR从SP那里要到了之前保存的值，重新加载进来。

LR和PC寄存器也从SP那里要到了之前保存的值，重新加载进来。

R12、R3、R2、R1、R0也分别拿到了之前的值，重新加载进来。

大家又回到了风暴来临前的状态，开始干活，一切安静的像没有发生过一样。

三、有人叛变了

RTOS内核大哥有一天上了船，这玩意坏的很。

风暴过后大家都去SP那里找之前的工作现场，他看准了这个点，想要拉SP指针下水。

“大兄弟，你说你担任着这么重要的角色，他们总是在需要的时候才想起你，那个鬼船长还说你是不是很能装，你今天遇到我，就是千里马遇到了伯乐，要不要跟我一起大干一把，做大做强，再创辉煌！”

SP指针看了一眼：“快滚”。

这可被PSP指针看在了眼里，他找到内核大哥：“大哥你不知道，SP其实有两个，你刚找的那是我哥MSP，我是PSP，我才是那匹千里马！平常都是他在干活，大家都不知道，这次我一定要跟着大哥你干票大的！”

内核大哥一看：“卧槽，小兄弟你可真是太委屈了，就你了，干它！”

接下来，他们开始谋划干起了一件大事。

万事具备，只欠东风。干大事讲究天时地利人和，天时怎么找呢？

RTOS内核大哥盯上了PendSV中断，他发现这个风暴可以手动触发，犹如信号枪一样。

妙啊，他掌握了触发这个风暴的方法后，现在就只剩一步没有谋划，人们处理这个风暴的时候，都是有对应的处理方法的，他得想办法把这个处理方法给改了。

于是他和PSP开始联合，改起了PendSV风暴的预定处理办法。

“风暴来临的时候，我们得先把中断关了，免得让别人影响我们的计划。”

CPSID   I

“PSP，船长已经叫他们把工作现场都存到你那里了，为了不露出破绽，我得把你的值也存起来，先放到R0吧，接着做事！”

MRS     R0, PSP

“PSP，除了他们之前存的那些数据，你也得把R4-R11寄存器的值存进去，我内核这个人做事讲究稳妥。”

“好的，大哥。”

STMFD   R0!, R4 - R11

“好了，都存完了，PSP，是时候找地方存他们之前用过的sp指针地址了，不然就暴露了，存到任务控制块的sp成员吧！”

OV32   R5, k_curr_task
LDR     R6, [R5]
STR     R0, [R6]

“该保存的都存完了，他们不会发现我们了！PSP，现在我们要开始干我们的大事了，看我给你表演什么叫偷梁换柱。”

RTOS内核大哥：“我去拿新任务的控制块”。

; k_curr_task = k_next_task
MOV32   R1, k_next_task
LDR     R2, [R1]
STR     R2, [R5]

RTOS内核大哥从新任务的控制块成员中拿出sp成员的值，放到R0寄存器开始操作，准备取数据：

LDR     R0, [R2]

取出值恢复到R4-R11寄存器中：

LDMFD   R0!, R4 - R11

此时的值，就是RTOS内核还未动手之前，船长带领众人存完现场的SP指针地址，将它恢复到PSP指针中：

 MSR     PSP, R0

干完大事，RTOS内核偷梁换柱成功，此时的PSP指针，指向的早已不是之前的值，已经是新任务的任务栈地址了。

开中断，收工：

CPSIE   I

跳转到LR寄存器保存的返回地址，PendSV中断处理函数完成，一场风暴又过去了。

船长号召大家来SP指针这里拿值，恢复工作现场，却不知PSP早已叛变，指向了别的地方。

xPSR从SP那里领走了它的值。

LR和PC寄存器也从SP那里领走了它的值。

R12、R3、R2、R1、R0也分别领走了他们的值。

大家又回到了风暴来临前的状态，开始干活，一切安静的像没有发生过一样。

唉，看似一切回到了风平浪静的状态，殊不知，只要RTOS内核触发PendSV中断 ，风暴过后，整条船的方向都会变，连船长也不知道会变到哪里，只有RTOS内核知道。

一条风平浪静的小船，船长带领着大家努力的向着远方航行，但是他们永远不会判断方向，船长也不会。

RTOS内核成了这条船上，真正的主宰。