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[应用方案] Cortex-M内核知识点总结

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:46 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:47 | 显示全部楼层
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)
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:47 | 显示全部楼层

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:47 | 显示全部楼层

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:48 | 显示全部楼层

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:48 | 显示全部楼层
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：
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:49 | 显示全部楼层
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）

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:49 | 显示全部楼层
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）
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:49 | 显示全部楼层

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:50 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:50 | 显示全部楼层
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：

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:50 | 显示全部楼层
int main(void)
{
    while(1)
    {
        do_something1();
        do_something2();
        do_something3();
    }
}
void ISR(void)
{
    do_something4();
}
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:51 | 显示全部楼层
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。

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:51 | 显示全部楼层
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();
}
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:51 | 显示全部楼层
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。

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:51 | 显示全部楼层
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。

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:52 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:52 | 显示全部楼层
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
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:52 | 显示全部楼层
裸机下的调度器
使用软件定时器实现调度
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  1. /***************************************************************************//**
    

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

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

  4.  *
    

  5.  * @param[in]     period    运行周期
    

  6.  * @param[in]     counter   运行次数
    

  7.  * @param[in]     p_func    函数指针
    

  8.  * @param[in]     p_arg     函数
    

  9.  * [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
    

  10.  *
    

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

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

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

  14.  ******************************************************************************/
    

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

  16. void ctimer_mainloop(void);
    

  17. void task1_process(void* pArg)
    

  18. {
    

  19.     
    

  20. }
    

  21. void task2_process(void* pArg)
    

  22. {
    

  23.     
    

  24. }
    

  25. int main(void)
    

  26. {
    

  27.     ctimer_set( 5,  0  , task1_process, NULL);
    

  28.     ctimer_set( 20,  0 , task1_process, NULL);
    

  29.     while(1)
    

  30.     {
    

  31.         ctimer_mainloop();
    

  32.     }
    

  33. }
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:53 | 显示全部楼层
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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  1. /********************************************************************
    

  2. upgrade fsm:
    


  3. 

  4.        <--------------------------------------------------
    

  5.       /                                            \      \
    

  6.     idle -----> info ----->transfer ------------> finsh    \
    

  7.                   \            \                            \
    

  8.                    \            \                            \
    

  9.                     --------------------------------------->error
    

  10.                     
    

  11. *********************************************************************/
    

  12. R_state_t ecu_upgrade_state_idle(fsm_t* me, uint32_t evt)
    

  13. {
    

  14.     switch(evt)
    

  15.     {
    

  16.         case SYS_ENTER_EVT:
    

  17.         {
    

  18.             log_d("enter idle state");
    

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

  20.             return S_HANDLE();
    

  21.         }
    

  22.         case ECU_UPGRADE_REQUEST_EVT:
    

  23.         {
    

  24.             return S_TRAN(ecu_upgrade_state_transfer);
    

  25.             //return S_TRAN(ecu_upgrade_state_info);
    

  26.         }
    

  27.         default:
    

  28.         {
    

  29.              return S_IGNORE();
    

  30.         }
    

  31.     }
    

  32. }
    

  33. R_state_t ecu_upgrade_state_info(fsm_t* me, uint32_t evt)
    

  34. {
    

  35.     switch(evt)
    

  36.     {
    

  37.         case SYS_ENTER_EVT:
    

  38.         {
    

  39.             /*step1:   session control*/
    

  40.             /*step2:   security_access*/
    

  41.             /*step3:   file_download request*/
    

  42.             /*period:  tester present*/
    

  43.             fsm_set_timeout_evt(me , 3000 , SYS_TIMEOUT_EVT);
    

  44.             return S_HANDLE();
    

  45.         }
    

  46.         case SYS_TIMEOUT_EVT:
    

  47.         {
    

  48.             /*period:  tester present*/
    

  49.             fsm_set_timeout_evt(me , 3000 , SYS_TIMEOUT_EVT);
    

  50.             return S_HANDLE();
    

  51.         }   
    

  52.         default:
    

  53.         {
    

  54.             return S_IGNORE();
    

  55.         }
    

  56.     }
    

  57. }
    

  58. ...
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