构建RTOS Kernel指南 (上)

1前言

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试想与我们相伴的MCU如若只存在裸机程序，那么运行到一个包含延时的线程时，我们的CPU就开始“摸鱼”了。为了最大化运行CPU，就需要用到RTOS（Real Time Operating System). 简单来说，RTOS是一个调度一切可利用的资源完成实时任务，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统，或者说，其内核是一个任务管理的框架。

市面上已存有许多优秀的RTOS，如FreeRTOS、Zephyr、RT-Thread等。许多小伙伴可能在最初接触RTOS时怯于其超厚的配套书籍或其庞大的代码，但不用害怕，像小编一样庖丁解牛般边学习边构建一个自己的RTOS是一个很好的学习方法，让我们踏上RTOS的学习之旅！

图1 RTOS版本

就好像要盖一座高楼，必然先得考察地势地貌，地基稳固，才能逐渐添砖加瓦。构建一个RTOS也是同样道理，需要知道它运行在一个怎样的架构上，以NXP的RT系列芯片为例，我们需要了解学习ARM Cortex-M系列的架构内容。这是一个非常庞大的体系，这里推荐《ARM Cortex-M3 Cortex-M4权威指南》，是一本不错的参考书籍。下文将列举构建一个RTOS所需要的最为核心的内容。

图2《ARM 图2 Cortex-M3 Cortex-M4权威指南》

2ARM处理器架构相关内容

2.1 操作模式和状态图3操作模式和状态

Cortex-M系列有两种操作状态和两种模式，并可以区分特权和非特权访问等级。其中调试状态只在连接调试器的时候起作用，若处理器在执行程序代码，则处于Thumb状态，Cortex-M处理器不支持ARM状态，所以ARM状态不存在。

两种模式为处理模式和线程模式：处理模式用作异常处理，并总具有特权访问等级；在执行普通的应用程序代码时，处理器处于线程模式，此时可能处于特权访问等级也可能处于非特权访问等级，前者可向后者切换，但是后者向前者切换则需要借用异常机制。

2.2 寄存器

Cortex-M处理器在内核中具有多个执行数据处理和控制的寄存器，这些寄存器大都以寄存器组的形式进行了分组。以cortex-M4处理器为例，寄存器组中有16个寄存器。图4 寄存器组中寄存器

其中R0-R12为通用寄存器，R13为栈指针，用于实现栈存储的访问。物理上存在两个栈指针：主栈指针（MSP）用于处理模式，以及进程栈指针（PSP）只能用于线程模式。R14也被称为链接寄存器，用于函数或子程序调用时返回地址的保存。R15为程序计数器。除了寄存器组中的寄存器之外，处理器中还存在多个特殊的寄存器。下面为几个较为典型的特殊寄存器： 图5 特殊寄存器

其中，程序状态寄存器包含三个状态寄存器，用于保存处理的状态信息。PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI寄存器都用于异常或中断屏蔽，CONTROL寄存器则用于栈指针的选择和线程模式的访问等级。

2.3 向量表和系统控制块

当Cortex-M处理器接受了某种异常请求后，处理器需要确定该异常处理的起始地址，该信息位于存储器内的向量表中。构建RTOS用到的最为核心的异常为PendSV，其优先级最低，可以被其他中断打断，因此通常用作上下文的切换，也就是任务的切换。 图6 中断向量表

系统控制块（SCB）中包含了若干用于中断控制的寄存器，其中有一个与RTOS密切相关的为中断控制和状态寄存器（ICSR），通过将第28位进行使能操作，可以触发我们需要的PendSV中断异常。

图7 中断控制和状态寄存器（ICSR）

3任务切换的实现

上述背景知识是为构建RTOS而提炼的内容，作者在这里建议在开发学习过程中带着疑问前进，边学习边扩展。下面就可以对RTOS的最基本功能——任务切换进行实现。首先我们需要知道，不同于裸机程序，RTOS的每个任务都有独立的上下文环境，在发生任务切换时，需对每个任务的状态数据进行保存，那么需要为每个任务配备有独立的栈空间。

当触发任务切换时，需要首先暂停当前任务的执行，并保存当前任务的状态数据到任务对应的栈空间，再将栈指针更新到切换的目标任务的栈空间，最后从该栈空间中恢复其状态数据，至此完成了任务的切换。 图8 任务切换的步骤

需要注意的是，当PendSV异常触发时，硬件系统会自动保存xPSR、LC、R12、R3-R0寄存器，R11-R4的压栈需要代码实现。除此之外，在任务初始化的时候，也需要对栈空间进行初始化，并且在系统运行第一个任务时，无需进行压栈的操作，因此需要判断任务是否为初始任务，一个较为简单的办法是在运行初始任务之前将PSP置0用于判断，但这样对系统的运行效率有一定影响，较为成熟的RTOS中有更为巧妙的处理办法，有兴趣的读者可以自行查阅。

图9 上下文切换的流程

实现到这里，一个RTOS的地基已经铸成，请继续翻看下集学习：

优先级查找，优先级反转，临界区保护和线程同步功能的详细介绍哦！