内核移植

  • 内核移植就是指将 RT-Thread 内核在不同的芯片架构、不同的板卡上运行起来,能够具备线程管理和调度,内存管理,线程间同步和通信、定时器管理等功能。移植可分为 CPU 架构移植和 BSP(Board support package,板级支持包)移植两部分。

CPU移植

  • 为了使 RT-Thread 能够在不同 CPU 架构的芯片上运行,RT-Thread 提供了一个 libcpu 抽象层来适配不同的 CPU 架构。libcpu 层向上对内核提供统一的接口,包括全局中断的开关,线程栈的初始化,上下文切换等。
  • RT-Thread 的 libcpu 抽象层向下提供了一套统一的 CPU 架构移植接口,这部分接口包含了全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍的配置和中断函数、Cache 等等内容。下表是 CPU 架构移植需要实现的接口和变量。
  • 函数和变量 描述
    rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void); 关闭全局中断
    void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level); 打开全局中断
    rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry, void *parameter, rt_uint8_t *stack_addr, void *texit); 线程栈的初始化,内核在线程创建和线程初始化里面会调用这个函数
    void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 to); 没有来源线程的上下文切换,在调度器启动第一个线程的时候调用,以及在 signal 里面会调用
    void rt_hw_context_switch(rt_uint32 from, rt_uint32 to); 从 from 线程切换到 to 线程,用于线程和线程之间的切换
    void rt_hw_context_switch_interrupt(rt_uint32 from, rt_uint32 to); 从 from 线程切换到 to 线程,用于中断里面进行切换的时候使用
    rt_uint32_t rt_thread_switch_interrupt_flag; 表示需要在中断里进行切换的标志
    rt_uint32_t rt_interrupt_from_thread, rt_interrupt_to_thread; 在线程进行上下文切换时候,用来保存 from 和 to 线程

实现全局中断开关

  • 无论内核代码还是用户的代码,都可能存在一些变量,需要在多个线程或者中断里面使用,如果没有相应的保护机制,那就可能导致临界区问题。RT-Thread 里为了解决这个问题,提供了一系列的线程间同步和通信机制来解决。但是这些机制都需要用到 libcpu 里提供的全局中断开关函数。分别是:
  • /* 关闭全局中断 */
    rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void); /* 打开全局中断 */
    void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
  • Cortex-M 架构上如何实现这两个函数,前文中曾提到过,Cortex-M 为了快速开关中断,实现了 CPS 指令,可以用在此处

  • CPSID I ;PRIMASK=, ; 关中断
    CPSIE I ;PRIMASK=, ; 开中断

实现全局中断开关

  • 在 rt_hw_interrupt_disable() 函数里面需要依序完成的功能是:

  1. 保存当前的全局中断状态,并把状态作为函数的返回值。

  2. 关闭全局中断。

  • 在 context_rvds.S 中实现
  • ;/*
    ; * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);
    ; */
    rt_hw_interrupt_disable PROC ;PROC 伪指令定义函数
    EXPORT rt_hw_interrupt_disable ;EXPORT 输出定义的函数,类似于 C 语言 extern
    MRS r0, PRIMASK ; 读取 PRIMASK 寄存器的值到 r0 寄存器
    CPSID I ; 关闭全局中断
    BX LR ; 函数返回
    ENDP ;ENDP 函数结束

打开全局中断

  • 在 rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level) 里,将变量 level 作为需要恢复的状态,覆盖芯片的全局中断状态。在 context_rvds.S 中实现;

  • ;/*
    ; * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
    ; */
    rt_hw_interrupt_enable PROC ; PROC 伪指令定义函数
    EXPORT rt_hw_interrupt_enable ; EXPORT 输出定义的函数,类似于 C 语言 extern
    MSR PRIMASK, r0 ; 将 r0 寄存器的值写入到 PRIMASK 寄存器
    BX LR ; 函数返回
    ENDP ; ENDP 函数结束

实现线程栈初始化

  • 在动态创建线程和初始化线程的时候,会使用到内部的线程初始化函数_rt_thread_init(),_rt_thread_init() 函数会调用栈初始化函数 rt_hw_stack_init(),在栈初始化函数里会手动构造一个上下文内容,这个上下文内容将被作为每个线程第一次执行的初始值。上下文在栈里的排布如下图所示:

  • 下代码是栈初始化的代码:在栈里构建上下文;在 cpuport.c中实现;

  • rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void       *tentry,
    void *parameter,
    rt_uint8_t *stack_addr,
    void *texit)
    {
    struct stack_frame *stack_frame;
    rt_uint8_t *stk;
    unsigned long i; /* 对传入的栈指针做对齐处理 */
    stk = stack_addr + sizeof(rt_uint32_t);
    stk = (rt_uint8_t *)RT_ALIGN_DOWN((rt_uint32_t)stk, );
    stk -= sizeof(struct stack_frame); /* 得到上下文的栈帧的指针 */
    stack_frame = (struct stack_frame *)stk; /* 把所有寄存器的默认值设置为 0xdeadbeef */
    for (i = ; i < sizeof(struct stack_frame) / sizeof(rt_uint32_t); i ++)
    {
    ((rt_uint32_t *)stack_frame)[i] = 0xdeadbeef;
    } /* 根据 ARM APCS 调用标准,将第一个参数保存在 r0 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r0 = (unsigned long)parameter;
    /* 将剩下的参数寄存器都设置为 0 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r1 = ; /* r1 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r2 = ; /* r2 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r3 = ; /* r3 寄存器 */
    /* 将 IP(Intra-Procedure-call scratch register.) 设置为 0 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r12 = ; /* r12 寄存器 */
    /* 将线程退出函数的地址保存在 lr 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.lr = (unsigned long)texit;
    /* 将线程入口函数的地址保存在 pc 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.pc = (unsigned long)tentry;
    /* 设置 psr 的值为 0x01000000L,表示默认切换过去是 Thumb 模式 */
    stack_frame->exception_stack_frame.psr = 0x01000000L; /* 返回当前线程的栈地址 */
    return stk;
    }

实现上下文切换

  • 在不同的 CPU 架构里,线程之间的上下文切换和中断到线程的上下文切换,上下文的寄存器部分可能是有差异的,也可能是一样的。在 Cortex-M 里面上下文切换都是统一使用 PendSV 异常来完成,切换部分并没有差异。但是为了能适应不同的 CPU 架构,RT-Thread 的 libcpu 抽象层还是需要实现三个线程切换相关的函数:
    1. rt_hw_context_switch_to():没有来源线程,切换到目标线程,在调度器启动第一个线程的时候被调用。

    2. rt_hw_context_switch():在线程环境下,从当前线程切换到目标线程。

    3. rt_hw_context_switch_interrupt ():在中断环境下,从当前线程切换到目标线程。

  • 线程环境下,如果调用 rt_hw_context_switch() 函数,那么可以马上进行上下文切换;而在中断环境下,需要等待中断处理函数完成之后才能进行切换;
  • 在 ARM9 等平台,rt_hw_context_switch() 和 rt_hw_context_switch_interrupt() 的实现并不一样。在中断处理程序里如果触发了线程的调度,调度函数里会调用 rt_hw_context_switch_interrupt() 触发上下文切换。中断处理程序里处理完中断事务之后,中断退出之前,检查 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量,如果该变量的值为 1,就根据 rt_interrupt_from_thread 变量和 rt_interrupt_to_thread 变量,完成线程的上下文切换。
  • 在 Cortex-M 处理器架构里,基于自动部分压栈和 PendSV 的特性,上下文切换可以实现地更加简洁。
  • 线程之间的上下文切换,如下图表示:

  • 硬件在进入 PendSV 中断之前自动保存了 from 线程的 PSR、PC、LR、R12、R3-R0 寄存器,然后 PendSV 里保存 from 线程的 R11\~R4 寄存器,以及恢复 to 线程的 R4\~R11 寄存器,最后硬件在退出 PendSV 中断之后,自动恢复 to 线程的 R0\~R3、R12、LR、PC、PSR 寄存器。
  • 中断到线程的上下文切换可以用下图表示:

  • 硬件在进入中断之前自动保存了 from 线程的 PSR、PC、LR、R12、R3-R0 寄存器,然后触发了 PendSV 异常。在 PendSV 异常处理函数里保存 from 线程的 R11\~R4 寄存器,以及恢复 to 线程的 R4\~R11 寄存器,最后硬件在退出 PendSV 中断之后,自动恢复 to 线程的 R0\~R3、R12、PSR、PC、LR 寄存器。
  • 显然,在 Cortex-M 内核里 rt_hw_context_switch() 和 rt_hw_context_switch_interrupt() 功能一致,都是在 PendSV 里完成剩余上下文的保存和回复。所以我们仅仅需要实现一份代码,简化移植的工作。

实现 rt_hw_context_switch_to()

  • rt_hw_context_switch_to() 只有目标线程,没有来源线程。这个函数里实现切换到指定线程的功能,下图是流程图:

  • rt_hw_context_switch_to() 实现
  • ;/*
    ; * void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 to);
    ; * r0 --> to
    ; * this fucntion is used to perform the first thread switch
    ; */
    rt_hw_context_switch_to PROC
    EXPORT rt_hw_context_switch_to
    ; r0 的值是一个指针,该指针指向 to 线程的线程控制块的 SP 成员
    ; 将 r0 寄存器的值保存到 rt_interrupt_to_thread 变量里
    LDR r1, =rt_interrupt_to_thread
    STR r0, [r1] ; 设置 from 线程为空,表示不需要从保存 from 的上下文
    LDR r1, =rt_interrupt_from_thread
    MOV r0, #0x0
    STR r0, [r1] ; 设置标志为 ,表示需要切换,这个变量将在 PendSV 异常处理函数里切换的时被清零
    LDR r1, =rt_thread_switch_interrupt_flag
    MOV r0, #
    STR r0, [r1] ; 设置 PendSV 异常优先级为最低优先级
    LDR r0, =NVIC_SYSPRI2
    LDR r1, =NVIC_PENDSV_PRI
    LDR.W r2, [r0,#0x00] ; read
    ORR r1,r1,r2 ; modify
    STR r1, [r0] ; write-back ; 触发 PendSV 异常 (将执行 PendSV 异常处理程序)
    LDR r0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR r1, =NVIC_PENDSVSET
    STR r1, [r0] ; 放弃芯片启动到第一次上下文切换之前的栈内容,将 MSP 设置启动时的值
    LDR r0, =SCB_VTOR
    LDR r0, [r0]
    LDR r0, [r0]
    MSR msp, r0 ; 使能全局中断和全局异常,使能之后将进入 PendSV 异常处理函数
    CPSIE F
    CPSIE I ; 不会执行到这里
    ENDP
  • rt_hw_context_switch()/ rt_hw_context_switch_interrupt()实现:
  • 函数 rt_hw_context_switch() 和函数 rt_hw_context_switch_interrupt() 都有两个参数,分别是 from 线程和 to 线程。它们实现从 from 线程切换到 to 线程的功能。下图是具体的流程图:

  • rt_hw_context_switch()/rt_hw_context_switch_interrupt() 实现:、
  • ;/*
    ; * void rt_hw_context_switch(rt_uint32 from, rt_uint32 to);
    ; * r0 --> from
    ; * r1 --> to
    ; */
    rt_hw_context_switch_interrupt
    EXPORT rt_hw_context_switch_interrupt
    rt_hw_context_switch PROC
    EXPORT rt_hw_context_switch ; 检查 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量是否为
    ; 如果变量为 就跳过更新 from 线程的内容
    LDR r2, =rt_thread_switch_interrupt_flag
    LDR r3, [r2]
    CMP r3, #
    BEQ _reswitch
    ; 设置 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量为
    MOV r3, #
    STR r3, [r2] ; 从参数 r0 里更新 rt_interrupt_from_thread 变量
    LDR r2, =rt_interrupt_from_thread
    STR r0, [r2] _reswitch
    ; 从参数 r1 里更新 rt_interrupt_to_thread 变量
    LDR r2, =rt_interrupt_to_thread
    STR r1, [r2] ; 触发 PendSV 异常,将进入 PendSV 异常处理函数里完成上下文切换
    LDR r0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR r1, =NVIC_PENDSVSET
    STR r1, [r0]
    BX LR

实现 PendSV 中断

  • 在 Cortex-M3 里,PendSV 中断处理函数是 PendSV_Handler()。在 PendSV_Handler() 里完成线程切换的实际工作,下图是具体的流程图:

  • PendSV_Handler 实现:
  • ; r0 --> switch from thread stack
    ; r1 --> switch to thread stack
    ; psr, pc, lr, r12, r3, r2, r1, r0 are pushed into [from] stack
    PendSV_Handler PROC
    EXPORT PendSV_Handler ; 关闭全局中断
    MRS r2, PRIMASK
    CPSID I ; 检查 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量是否为
    ; 如果为零就跳转到 pendsv_exit
    LDR r0, =rt_thread_switch_interrupt_flag
    LDR r1, [r0]
    CBZ r1, pendsv_exit ; pendsv already handled ; 清零 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量
    MOV r1, #0x00
    STR r1, [r0] ; 检查 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量
    ; 如果为 ,就不进行 from 线程的上下文保存
    LDR r0, =rt_interrupt_from_thread
    LDR r1, [r0]
    CBZ r1, switch_to_thread ; 保存 from 线程的上下文
    MRS r1, psp ; 获取 from 线程的栈指针
    STMFD r1!, {r4 - r11} ; 将 r4~r11 保存到线程的栈里
    LDR r0, [r0]
    STR r1, [r0] ; 更新线程的控制块的 SP 指针 switch_to_thread
    LDR r1, =rt_interrupt_to_thread
    LDR r1, [r1]
    LDR r1, [r1] ; 获取 to 线程的栈指针 LDMFD r1!, {r4 - r11} ; 从 to 线程的栈里恢复 to 线程的寄存器值
    MSR psp, r1 ; 更新 r1 的值到 psp pendsv_exit
    ; 恢复全局中断状态
    MSR PRIMASK, r2 ; 修改 lr 寄存器的 bit2,确保进程使用 PSP 堆栈指针
    ORR lr, lr, #0x04
    ; 退出中断函数
    BX lr
    ENDP

实现时钟节拍

  • 有了开关全局中断和上下文切换功能的基础,RTOS 就可以进行线程的创建、运行、调度等功能了。有了时钟节拍支持,RT-Thread 可以实现对相同优先级的线程采用时间片轮转的方式来调度,实现定时器功能,实现 rt_thread_delay() 延时函数等等。
  • libcpu 的移植需要完成的工作,就是确保 rt_tick_increase() 函数会在时钟节拍的中断里被周期性的调用,调用周期取决于 rtconfig.h 的宏 RT_TICK_PER_SECOND 的值。
  • 在 Cortex M 中,实现 SysTick 的中断处理函数即可实现时钟节拍功能。
  • void SysTick_Handler(void)
    {
    /* enter interrupt */
    rt_interrupt_enter(); rt_tick_increase(); /* leave interrupt */
    rt_interrupt_leave();
    }

BSP移植

  • RT-Thread 提供了 BSP 抽象层来适配常见的板卡。如果希望在一个板卡上使用 RT-Thread 内核,除了需要有相应的芯片架构的移植,还需要有针对板卡的移植,也就是实现一个基本的 BSP。主要任务是建立让操作系统运行的基本环境,需要完成的主要工作是:
    1. 初始化 CPU 内部寄存器,设定 RAM 工作时序。

    2. 实现时钟驱动及中断控制器驱动,完善中断管理。

    3. 实现串口和 GPIO 驱动。

    4. 初始化动态内存堆,实现动态堆内存管理。

参考

  • 《RT-Thread 编程指南》

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