Cortex-M内核知识点总结

只看该作者 · 2023-9-15 15:46

取向量
在入栈的同时，指令总线会获取程序状态字中的异常号，在中断向量表中查询对应的中断服务地址入口。

只看该作者 · 2023-9-15 15:47

寄存器更新
更新栈指针SP , 选择栈指针 MSP，更新连接寄存器LR , 程序计数器PC，在入栈完成后，栈指针会更新（PSP或者MSP因为压栈操作而生长）, 在执行服务程序时，将由MSP 负责对堆栈的访问。更新LR 比较特殊，前面我们说过LR 寄存器在函数调用过程中的作用：它记录了被调函数的下一条指令地址，这样函数返回后就可以继续执行。但在中断服务中LR 会有特殊的用法，在进入中断服务程序后， LR 会被计算赋值为 EXC_RETURN (异常返回)

只看该作者 · 2023-9-15 15:47

只看该作者 · 2023-9-15 15:47

只看该作者 · 2023-9-15 15:48

只看该作者 · 2023-9-15 15:48

LR的取值只有以上3种(以上为CM3的异常返回，其余需要找对应的ARM核) ，他能修改中断服务返回后的模式和使用哪个堆栈指针，还记得CONTROL 寄存器吗它在特权模式下，也能修改模式和选择栈指针。只不过，CONTROL 寄存器是主动修改，这里的LR 值是系统自己判断的 , 判断依据如下：

只看该作者 · 2023-9-15 15:49

主程序在线程模式下，并且使用MSP 被中断，则 EXC_RETURN 的值为 0xFFFFFFF9 （裸机系统为这个）

只看该作者 · 2023-9-15 15:49

主程序在线程模式下，并且使用PSP 被中断，则 EXC_RETURN 的值为 0xFFFFFFFD （RTOS系统为这个）

只看该作者 · 2023-9-15 15:49

只看该作者 · 2023-9-15 15:50

异常返回时，只需要令PC 等于 LR 即可，系统会自动切换模式和选择栈指针，并且从栈中恢复先前寄存器的值（包括PC重新回到打断的地方）。可以看到，中断始终使用的是主堆栈，因此中断的嵌套深度，局部变量，函数调用都会消耗主堆栈，在RTOS设计时，不仅需要考虑每个线程的栈空间大小，还需要考虑主堆栈的空间大小。

只看该作者 · 2023-9-15 15:50

调度器
为什么需要调度器
实时性
在顺序执行结构中，常见的任务处理模式如下：

只看该作者 · 2023-9-15 15:50

int main(void)
{
while(1)
{
      do_something1();
      do_something2();
      do_something3();
}
}
void ISR(void)
{
do_something4();
}

只看该作者 · 2023-9-15 15:51

可以发现，每一个任务的执行都受其余任务执行时间的影响，虽然有任务放在中断中执行，但其余非中断任务实时性得不到保证。为了提高实时性，基于一个事实，一般任务都有一个执行周期，比如按键检测任务，可以5ms扫描一次，显示任务可以50ms 刷新一次，传感器采集任务可以500ms采集一次。

只看该作者 · 2023-9-15 15:51

int main(void)
{
while(1)
{
      if(Timer5ms_flag){
        do_something1();
      }if(Timer10ms_flag){
         do_something2();
      }if(Timer8ms_flag){
         do_something3();
      }
}
}
void ISR(void)
{
do_something4();
}

只看该作者 · 2023-9-15 15:51

按照上述方式，由于将各个任务指定执行周期，在同一时刻让任务就绪错开，这样单个任务的实时性得到了提高。

按上述方法，实时性有一定的提高，多数情况下不会出现多个任务就绪的情况，但是极端情况下也会出现，如某个任务执行时间过长或执行时间不确定，破环了上图的任务错开时间运行的平衡，或者周期互为公约数，且启动时时间未使用质数错开，最终会出现类似 “共振”的现象，隔一段时间多个任务同时就绪。

只看该作者 · 2023-9-15 15:51

多个任务同时就绪，我们更期望的时并行处理，而不是串行，如上图所示。但是MCU为单核，无法并行处理，为了实现类并行处理，时间片轮转调度由此而生。

只看该作者 · 2023-9-15 15:52

时间片即任务允许执行的最长时间，时间到了就需要切换到下一个任务执行，时间片轮转需要考虑的是任务执行时间到了，如何切换到下一个任务，如何保存当前任务执行环境，如何恢复下一任务的执行环境等，当前主流的RTOS都支持时间片调度。虽然任务切换会消耗一定的时间，但是任务本身在时间片足够小时，几乎可以任务是并行执行。

只看该作者 · 2023-9-15 15:52

解耦合
调度器能提供统一的接口，管理任务执行时序，避免了各种就绪标志位胡乱分布耦合。后文中将介绍几种常见的调度器实现，可以发现基于调度器框架开发的优势

只看该作者 · 2023-9-15 15:52

裸机下的调度器
使用软件定时器实现调度

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/***************************************************************************//**

 * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]         设置ctimer定时器

 * [url=home.php?mod=space&uid=1543424]@Details[/url]       

 *

 * @param[in]     period    运行周期

 * @param[in]     counter   运行次数

 * @param[in]     p_func    函数指针

 * @param[in]     p_arg     函数

 * [url=home.php?mod=space&uid=266161]@return[/url]        分配的定时器指针，如果没有定时器分配，返回NULL

 *

 * [url=home.php?mod=space&uid=536309]@NOTE[/url]          

 * [url=home.php?mod=space&uid=8537]@see[/url]           

 * [url=home.php?mod=space&uid=157211]@warning[/url]       

 ******************************************************************************/

struct ctimer* ctimer_set(UINT32 ulPeriod, UINT32 ulCount, void (*pfFunc)(void* p), void* pArg);

void ctimer_mainloop(void);

void task1_process(void* pArg)

{

    

}

void task2_process(void* pArg)

{

    

}

int main(void)

{

    ctimer_set( 5,  0  , task1_process, NULL);

    ctimer_set( 20,  0 , task1_process, NULL);

    while(1)

    {

        ctimer_mainloop();

    }

}

只看该作者 · 2023-9-15 15:53

使用事件驱动的调度器
QP状态机框架： https://www.state-machine.com/

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/********************************************************************

upgrade fsm:



       <--------------------------------------------------

      /                                            \      \

    idle -----> info ----->transfer ------------> finsh    \

                  \            \                            \

                   \            \                            \

                    --------------------------------------->error

                    

*********************************************************************/

R_state_t ecu_upgrade_state_idle(fsm_t* me, uint32_t evt)

{

    switch(evt)

    {

        case SYS_ENTER_EVT:

        {

            log_d("enter idle state");

            memset(&upgrade_info , 0 , sizeof(struct ecu_upgrade_info));

            return S_HANDLE();

        }

        case ECU_UPGRADE_REQUEST_EVT:

        {

            return S_TRAN(ecu_upgrade_state_transfer);

            //return S_TRAN(ecu_upgrade_state_info);

        }

        default:

        {

             return S_IGNORE();

        }

    }

}

R_state_t ecu_upgrade_state_info(fsm_t* me, uint32_t evt)

{

    switch(evt)

    {

        case SYS_ENTER_EVT:

        {

            /*step1:   session control*/

            /*step2:   security_access*/

            /*step3:   file_download request*/

            /*period:  tester present*/

            fsm_set_timeout_evt(me , 3000 , SYS_TIMEOUT_EVT);

            return S_HANDLE();

        }

        case SYS_TIMEOUT_EVT:

        {

            /*period:  tester present*/

            fsm_set_timeout_evt(me , 3000 , SYS_TIMEOUT_EVT);

            return S_HANDLE();

        }   

        default:

        {

            return S_IGNORE();

        }

    }

}

...