Build Your Own RTOS 系列文章：

  1. 理解M3架构
  2. 硬件自动压栈
  3. 初始化栈
  4. 当前阅读：PendSV
  5. 时间片轮转
  6. 延时
  7. 信号量

1 PendSV

在前几期中，我们已经理解了寄存器，学会了如何模仿硬件压栈来完成上下文切换。本期我们就要在PendSV_Handler()中实现它。

1.1 什么是PendSV？

PendSV（Pendable Service Call，可挂起的系统调用）是CM3内核专门设计的一种异常。就如字面所述，它是可以“挂起”（等待）的。

如果没有PendSV，我们可能要在别的中断（例如SysTick中）完成上下文切换。试想一下，我们正在处理紧急的硬件中断（或其他高优先级的任务），这时SysTick过来，不分青红皂白的切换上下文，直接让CPU去执行别的普通任务，原任务就被搁置了，这对我们的系统是致命的。

但是有了PendSV就不一样了。我们通常把PendSV的优先级设置成全系统最低（优先级号越大，优先级越低）。当SysTick触发任务切换的指令时，系统会先检查有没有比PendSV优先级更高的中断，如果有就先去执行优先级高的，直到最后只剩下PendSV，此时才执行任务切换。

1.2 为什么PendSV_Handler()只能用汇编写？

因为编译器太智能了，它会在你看不到的地方，在你手写的C语言函数代码前后添加一堆乱七八糟的东西（Prologue和Epilogue），虽然对于普通的代码而言无关紧要，但是对PendSV_Handler()这种高要求的操作，会出现大麻烦。所以，涉及到这种底层寄存器的操作，我们只能使用纯汇编来写。幸运的是，之后基本就不用了。

1.3 实现逻辑

我们现在就正式开始准备实现PendSV_Handler()。由于我们还没有写调度，所以今天我们先写一个简单版，等到后面我们再把内容添加进来。

为了切换任务，我们需要两个指针来分别指向当前的任务和下一个要运行的任务。我们用CurrentTCB和NextTCB来表示。

首先我们要明确：PendSV_Handler()要做些什么。假设我们已经有了两个任务，任务1的运行时间到了，接下来准备执行任务2。那么我们怎么处理现在寄存器里的数据呢？

  1. 先把现在正在用的数据存起来。第一步：获取当前PSP的值，存在R0里。由于R0-R3被硬件自动压栈了，所以存在R0里是安全的。然后，再把硬件没存的寄存器手动存到R0此刻指向的地址，也就是和硬件自动存储的数据放在一起。最后把CurrentTCB的值（也就是当前执行任务的TCB的地址）读出来放进R1，再把此刻R0的值存到R1指向的地址。
  2. 接下来就是恢复现场，把任务2的数据拿回来。首先把NextTCB的值写入CurrentTCB，现在的CurrentTCB已经是新的任务了。然后获取CurrentTCB的sp，从这个地址中弹出数据到R4-R11，最后更新PSP。至此，任务切换结束。

好了，逻辑基本讲清楚了，我们就开始写代码。把PendSV_Handler()函数的代码写在os_cpu_a.s中。我们需要在函数的开头使用CPSID I关中断、结尾BX LR前使用CPSIE I开中断来制造临界区。这在实际应用中是不需要甚至应该避免的，但是为了今天的调试和学习，我们先这么做，防止别的中断打断我们的逻辑。

2 “启动”

接下来我们就开始做实验，亲眼看看我们的代码是不是成功了。首先因为我们没写调度器，所以我们需要一个用于触发PendSV的函数OS_Yield()。它通过向中断控制及状态寄存器ICSR（地址：0xE000_ED04）的Bit[28]写入1来挂起PendSV中断。

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void OS_Yield(void) 
{
    // 设置第 28 位 (PENDSVSET)，触发 PendSV 异常
    (*(volatile uint32_t *)0xE000ED04) = (1 << 28);
    
    // 指令同步
    __asm("DSB"); 
    __asm("ISB");
}

然后我们要写一个开始函数OS_Start()。当我们还没有开始任务调度的时候，CurrentTCB绝对是NULL，即0；而NextTCB指向下一个TCB。所以我们OS_Start()的任务实际上就是PendSV_Handler()的下半部分，只切换不存储。所以我们直接复用PendSV_Handler()，不再写一遍了。注意：这里很容易错，如果一个不小心寄存器存反了就进HardFault了。所以请仔细核查自己的代码，实在不行就直接复制吧。

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PendSV_Handler  PROC  ; PROC代表函数的开头
    CPSID I ; 关中断
    MRS R0, PSP
    ISB ; 指令同步隔离，确保程序生效

    LDR R2, =CurrentTCB ; 现在R2里存的是CurrentTCB的地址
    LDR R1, [R2] ; 把R2（CurrentTCB）地址中所存的值（就是TCB的首地址，也就是sp变量的地址）存到R1里

    CMP R1, #0          ; 比较R1和0
    BEQ RestoreContext  ; 如果相等 (Z标志位为1)，直接跳转到恢复上下文部分

    STMDB R0!, {R4-R11}
    STR R0, [R1] ; 把现在的R0（也就是PSP最终指向的地址）存到R1指向的地址（也就是存进sp变量）

RestoreContext
    LDR R2, =NextTCB ; 现在R2里存的是NextTCB的地址
    LDR R3, =CurrentTCB ; 现在R3里存的是CurrentTCB的地址
    LDR R1, [R2] ; 把R2（NextTCB）地址中所存的值存到R1里
    STR R1, [R3] ; 把R1（NextTCB的sp变量）存到CurrentTCB的地址所对应的内存中，现在CurrentTCB已经是新的任务了
    LDR R0, [R1] ; 从R1（NextTCB的sp变量）所对应的内存中读取NextTCB（实际上就是CurrentTCB）的sp变量到R0
    LDMIA R0!, {R4-R11}
    MSR PSP, R0
    ORR LR, LR, #0x04   ; 将LR的第2位置1，返回时使用PSP
    CPSIE I
    BX LR
    ENDP

OS_Start PROC

    ; 1. 设置PendSV的优先级为最低(0xFF)
    ; 这一步我们在C语言中做
    
    ; 2. 触发PendSV，这里实际上就是我们的OS_Yield函数
    LDR R0, =0xE000ED04 ; ICSR寄存器地址
    LDR R1, =0x10000000 ; 第28位是PENDSVSET
    STR R1, [R0]        ; 写1触发PendSV

    ; 3. 开中断 (防止之前被关了)
    CPSIE I

    ; 4. 死循环 (理论上永远不会执行到这里，因为PendSV会立即抢占并切换走)
    B .                 
    
    ENDP

在main.c里这么写（不要忘记在main函数之前定义任务的TCB和任务栈数组，还有在os_core.c里创建CurrentTCB和NextTCB两个OS_TCB*指针）：

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// 1. 设置 PendSV 优先级为最低 (0xFF)
NVIC_SetPriority(PendSV_IRQn, 0xFF); // 这里中断优先级实际上只接收4位，即只有最低4位有效 这么写也没问题

// 2. 关键初始化
Task1TCB.stackPtr = OS_StackInit(Task1, Task1stack, 128);
Task2TCB.stackPtr = OS_StackInit(Task2, Task2stack, 128);
CurrentTCB = 0;       // 必须设为NULL，告诉汇编这是第一次
NextTCB = &Task1TCB; // 告诉 OS 第一个任务是谁

// 3. 启动！
OS_Start();

while(1) // 理论上永远不会运行到这里了
...

这里的Task1和Task2函数就这么写：

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uint32_t count1 = 0;
uint32_t count2 = 0;
void Task1(void)
{
  for(;;){
    count1++;
    NextTCB = &Task2TCB; // 没有调度器的权宜之计
    OS_Yield();
  }
}

void Task2(void)
{
  for(;;){
    count2++;
    NextTCB = &Task1TCB;
    OS_Yield();
  }
}

最后，我们在stm32f1xx_it.c中找到PendSV_Handler()，把它注释掉，让程序使用我们自己写的PendSV_Handler()。

接下来就是插板子调试了。我们可以使用第三期类似的方法，打开Watch Windows，输入count1和count2，如果程序运行正常，它们的值应该飞速增大且最多相差1。

3 总结

我们已经啃下了路线上最难啃的骨头，也许没有之一！ 后面的代码大多是逻辑层面的C语言编程，主要考察的是设计架构和算法编写能力，会轻松很多。