一直想写个类似uCOS的OS,近段时间考研复习之余忙里偷闲,总算有点成果了。言归正传,我觉得OS最难的部分首先便是上下文切换的问题,他和MCU的架构有关,所以对于不同的MCU,这部分需要移植。一旦这个问题解决了,整个OS算是成功了一半了,当然,是对于简单的OS。

  好了,要写一个OS,首先需要一个开发板和仿真器。我的开发板是STM32F4DISCOVERY,自带ST-LINK V2仿真器,板载MCU为STM32F407VGT6,支持FPU,32位ARM Cortex-M4F核,1024KB FLASH,192 KB RAM,总之很强大。对STM32其他系列,本OS几乎不需修改修改就可使用。开发环境为IAR for ARM 6.5,如果是MDK的话,也是大同小异,汇编部分需要修改。

  研究了一下UCOS-II的Cortex-M4的Port部分,觉得很好,就直接拿来用了,修改的很少。首先我们来看一下这一部分几个比较重要的函数,打开os_cpu_a.asm文件,定位到下面的地方,注释我改成中文了。当OS初始化完毕后,执行OSStart,OSStart最后调用OSStartHighRdy函数,注意在此之前的线程模式和异常模式的堆栈都是MSP,在此之后线程模式的堆栈是PSP,异常模式的堆栈仍是MSP。

OSStartHighRdy
LDR R0, =NVIC_SYSPRI14 ; 设置PendSV的异常中断优先级
LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI
STRB R1, [R0] MOVS R0, # ; 初始化PSP=0
MSR PSP, R0 LDR R0, =OS_CPU_ExceptStkBase ; 初始化异常堆栈MSP地址
LDR R1, [R0]
MSR MSP, R1 LDR R0, =OSRunning ; 置OSRunning = TRUE
MOVS R1, #
STRB R1, [R0] LDR R0, =NVIC_INT_CTRL ; 触发PendSV异常 (引起上下文切换)
LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
STR R1, [R0] CPSIE I ; 开启中断,于是进入PendSV异常 OSStartHang
B OSStartHang ; 正常情况下,不应运行到这

  其中最核心的函数应该是OS_CPU_PendSVHandler了,它处理PendSV中断,完成上下文切换。

OS_CPU_PendSVHandler
CPSID I ; 关中断
MRS R0, PSP ; 获得PSP
CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave; PSP为0跳到OS_CPU_PendSVHandler_nosave,即不保存上文,直接进入下文。
; 问什么呢,因为首次调用,是没有上文的。
; 保存上文
SUBS R0, R0, #0x20 ; 因为寄存器是32位的,4字节对齐,自动压栈的寄存器有8个,所以偏移为8*0x04=0x20
STM R0, {R4-R11} ; 除去自动压栈的寄存器外,需手动将R4-R11压栈 LDR R1, =OSTCBCur ; 保存上文的SP指针 OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
LDR R1, [R1]
STR R0, [R1] OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; 切换下文
PUSH {R14} ; LR压栈,下面要调用C函数
LDR R0, =OSTaskSwHook ; 调用OSTaskSwHook();
BLX R0
POP {R14} LDR R0, =OSPrioCur ; 置OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
LDR R1, =OSPrioHighRdy
LDRB R2, [R1]
STRB R2, [R0] LDR R0, =OSTCBCur ; 置OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
LDR R1, =OSTCBHighRdy
LDR R2, [R1]
STR R2, [R0] LDR R0, [R2] ; R0中的值为新任务的SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
LDM R0, {R4-R11} ; 手动弹出 R4-R11
ADDS R0, R0, #0x20 MSR PSP, R0 ; PSP = 新任务SP
ORR LR, LR, #0x04 ; 确保异常返回后使用PSP
CPSIE I
BX LR ; 退出异常,从PSP弹出xPSR,PC,LR,R0-R3,进入新任务运行

  之后我们在此基础上构建自己的OS,首先完成两个任务互相调用,然后是加入SysTick的任务调度,最后加入信号量,邮箱等功能。

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