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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 15:53 | 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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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:53 | 显示全部楼层
OSAL事件驱动框架 ：https://github.com/recheal-zhang/ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0/tree/master/Components/osal
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  1. /***********用户任务事件处理函数***********/
    

  2. uint16 SimpleBLETest_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events )
    

  3. {
    

  4.     VOID task_id;
    

  5.     
    

  6.     if ( events & SYS_EVENT_MSG )
    

  7.     {
    

  8.         uint8 *pMsg;
    

  9.         /*  读取发送来的消息            */
    

  10.         if ( (pMsg = osal_msg_receive( SimpleBLETest_TaskID )) != NULL ){
    

  11.             /*  消息有效数据处理函数    */
    

  12.             simpleBLETest_ProcessOSALMsg( (osal_msg_send_dat *)pMsg );
    

  13.             /*  清除消息内存            */
    

  14.             VOID osal_msg_deallocate( pMsg );
    

  15.         } 
    

  16.         return (events ^ SYS_EVENT_MSG); 
    

  17.     }
    

  18.     if ( events & SBP_START_DEVICE_EVT )
    

  19.     {
    

  20.         /*  每500毫秒发送一个事件       */
    

  21.         if ( SBP_PERIODIC_EVT_PERIOD ){
    

  22.             osal_start_reload_timer( SimpleBLETest_TaskID, SBP_PERIODIC_EVT, SBP_PERIODIC_EVT_PERIOD );
    

  23.         }  
    

  24.         return ( events ^ SBP_START_DEVICE_EVT );   
    

  25.     }
    

  26.     if ( events & SBP_PERIODIC_EVT)
    

  27.     { 
    

  28.         static uint8 byTmp = 0;
    

  29.         
    

  30.         if(byTmp > 7) byTmp = 0;
    

  31.         /*  发送消息及有效数据  byTmp   */
    

  32.         osalSendUserDat(byTmp++);
    

  33.         
    

  34.         return (events ^ SBP_PERIODIC_EVT);
    

  35.     }
    

  36.     return 0;
    

  37. }
    


  38.
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:53 | 显示全部楼层
基于硬件定时器调度器
基于时间或事件的调度器已经能处理绝大多数裸机的应用情况 ， 但有些特殊场景，上述两种调度器无法满足实时性。裸机的实时性需要靠中断来保证，上面两种调度器的本质都是定时产生就绪标志 ，然后在主循环里轮询标志 ， 标志满足则执行，虽然任务错开时间运行对响应速度有一定的提高，但是还是避免不了排队执行，若某个任务本身的执行时间非常长，比如1S才能执行完，即使其执行周期长，但是在他执行时，其他任务都需要排队。
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:54 | 显示全部楼层
需求描述：

在仪器仪表行业，一般使用低端MCU （主频16MHZ），无法提供足够资源 跑 RTOS
如供电线路检测仪表，可能需要实现，线路电压采集，电流采集，温度采集 ，显示，无线传输等任务
要求 50ms 采集一次电压电流 ， 1s采集一次温度，500ms刷新一次显示
采集的电压电流进行 FFT变换，并将结果存储到外部SPI flash
温度，电压，电流异常预警 ， 从检查到异常发生，需要在 10ms内控制继电器断电，报警鸣笛
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:54 | 显示全部楼层
需求拆解：

16MHZ主频跑 FFT极其耗时间，在无硬件加速情况下，执行一遍可能到达秒级
电流电压50ms采集 是硬要求，异常初始优先级最高，须立即处理
电压电流 FFT变换对实时性要求不高，只是需要保存，类似一个历史数据，可供回查。
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:54 | 显示全部楼层
以上需求若使用上面两种调度方式无法满足实时性，需要使用主动中断的方式强行切换任务，处理流程如下图：

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:54 | 显示全部楼层
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  1. /*
    

  2. 创建任务：
    

  3.         1）定义任务句柄
    

  4.         2）定义任务处理函数 
    

  5.         3）定义任务类型：周期任务或触发任务
    

  6.         4）定义任务优先级 （根据任务优先级，任务处理函数会被注册到不同的硬件定时器）
    

  7. */
    


  8. 

  9. int task_create(TaskHander_t handle ,  TaskCallBack_t cb , uint8_t type , uint8_t prior);
    


  10. 

  11. /*
    

  12. 启动某个任务的调度
    

  13.    1)任务句柄：根据任务句柄，能得知任务优先级，处理函数等，然后启动对应的定时器
    

  14.    2）延时多久执行任务调度
    

  15. */
    

  16. int task_schedule(TaskHander_t handle , uint32_t time);
    


  17. 

  18. /*
    

  19. 停止某个任务的调度
    

  20.    1)任务句柄：根据任务句柄，能得知任务优先级，处理函数等，然后启动对应的定时器
    

  21.    2）延时多久停止任务调度
    

  22. */
    

  23. int task_schedule(TaskHander_t handle , uint32_t time);
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:54 | 显示全部楼层
RTOS调度器
在裸机的几种调度器中，时间与事件调度器的本质是相同的，都是设置任务的就绪标志，在主循环里边查询就绪标志，执行就绪任务，而基于硬件定时器的调度器相较于前两者增加了抢占功能，它已经初具RTOS的雏形了，但还存在以下问题：

相同优先级的任务需要排队执行
高优先级的任务在执行时，无法主动释放cpu使用权，即高优先级任务执行完某一步，需要sleep一段时间再执行不好实现
高优先级任务（定时器中断注册的任务）和低优先级任务（主循环注册的任务）性质不同，不完全等价
会引入更多的中断嵌套，且调度定时器中断优先级要最低，否则会导致其他中断受影响
所有任务使用同一个栈，一崩全崩
为了解决上述问题，RTOS便应运而生
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:54 | 显示全部楼层
思考
有了前面几种调度器的铺垫 ，我们对 RTOS 需要实现哪些功能有个大概的认识，应该有以下几点：

各个任务性质相同 ，但有优先级区分 ，且同一优先级的任务，不能排队运行，而是时间片轮转

任务任何时间都能切换到其它任务 ， 而有这种能力的只有中断 ，也就是需要有一个接口，供任务主动触发中断，然后在中断里边切换到其他任务

任务本身是函数 ， 所谓的任务切换，其实就是切换当前运行的函数， 通过修改PC指针就可以实现

由A任务（函数）切换到 B任务（函数），不能直接令PC指针等于任务B（函数）的地址，这样先前B执行的过程和A执行的过程会丢失
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:55 | 显示全部楼层

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:55 | 显示全部楼层
PendSV(可悬起系统调用)
一般设置成最低优先级，这样可以保证 优先级顺序： 高优先级中断 >低优先级中断 > 高优先级任务 > 低优先级任务 ，
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:55 | 显示全部楼层
线程栈与主栈
在上面的思考中。有一点没有明确：在task_a中主动触发中断，task_a的环境将保存到栈中，然后切换到task_b执行，再次触发中断，将task_b的环境保存到栈中，再回到task_a, 若a和b的环境都保存在同一个栈中，那么根据栈的特性先入后出，由b到a的切换必须先弹出b的环境，再弹出a的环境，这样显然不行。我们知道栈本身是一块连续的内存，PUSH 和 POP指令控制将内容压入栈中，然后移动对应的SP指针 ，若为每一个任务都定义一个栈和SP指针，就能解决上述问题。
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:55 | 显示全部楼层
在多线程模式下 系统SP指针使用的是 PSP ， 若发生中断，在将线程环境压入当前 SP (PSP) 后 ，SP将切换成 MSP，后续的中断局部变量，中断函数调用以及中断嵌套，都将使用MSP 。将系统使用的栈和线程使用的栈分开，可减小全面崩溃的风险。(在中断的具体行为章节有详细描述)

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:55 | 显示全部楼层
线程切换汇编分析
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  1. ;*************************************************************************
    

  2. ; 全局变量(4)
    

  3. ;*************************************************************************
    

  4. IMPORT rt_thread_switch_interrupt_flag
    

  5. IMPORT rt_interrupt_from_thread
    

  6. IMPORT rt_interrupt_to_thread
    


  7. 

  8. ;*************************************************************************
    

  9. ; 常量(5)
    

  10. ;*************************************************************************
    

  11. ;-------------------------------------------------------------------------
    

  12. ; 有关内核外设寄存器定义可参考官方文档：STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual
    

  13. ; 系统控制块外设SCB 地址范围：0xE000ED00-0xE000ED3F
    

  14. ;-------------------------------------------------------------------------
    

  15. SCB_VTOR        EQU 0xE000ED08  ; 向量表偏移寄存器
    

  16. NVIC_INT_CTRL   EQU 0xE000ED04  ; 中断控制状态寄存器
    

  17. NVIC_SYSPRI2    EQU 0xE000ED20  ; 系统优先级寄存器(2)
    

  18. NVIC_PENDSV_PRI EQU 0x00FF0000  ; PendSV 优先级值(lowest)
    

  19. NVIC_PENDSVSET  EQU 0x10000000  ; 触发PendSV exception 的值
    


  20. 

  21. ; *-----------------------------------------------------------------------
    

  22. ; * 函数原型：void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 to);
    

  23. ; * r0 --> to
    

  24. ; * 该函数用于开启第一次线程切换
    

  25. ; *-----------------------------------------------------------------------
    

  26. rt_hw_context_switch_to PROC
    

  27.     EXPORT rt_hw_context_switch_to   ; 导出rt_hw_context_switch_to，让其具有全局属性，可以在C 文件调用
    

  28.     LDR r1, =rt_interrupt_to_thread  ; 将rt_interrupt_to_thread 的地址加载到r1
    

  29.     STR r0, [r1]                     ; 将r0 的值存储到rt_interrupt_to_thread
    

  30.     LDR r1, =rt_interrupt_from_thread; 将rt_interrupt_from_thread 的地址加载到r1
    

  31.     MOV r0, #0x0                     ; 配置r0 等于0 , ;设置rt_interrupt_from_thread 的值为0，表示启动第一次线程切换
    

  32.     STR r0, [r1]                     ; 将r0 的值存储到rt_interrupt_from_thread
    

  33.     LDR r1, =rt_thread_switch_interrupt_flag  ; 设置中断标志位rt_thread_switch_interrupt_flag 的值为1 
    

  34.     MOV r0, #1                       ; 配置r0 等于1
    

  35.     STR r0, [r1]                     ; 将r0 的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag
    

  36.  
    

  37.     ; 设置PendSV 异常的优先级
    

  38.     LDR r0, =NVIC_SYSPRI2
    

  39.     LDR r1, =NVIC_PENDSV_PRI
    

  40.     LDR.W r2, [r0,#0x00] ; 读
    

  41.     ORR r1,r1,r2 ; 改
    

  42.     STR r1, [r0] ; 写
    

  43.  
    

  44.         ; 触发PendSV 异常(产生上下文切换)
    

  45.     LDR r0, =NVIC_INT_CTRL
    

  46.     LDR r1, =NVIC_PENDSVSET
    

  47.     STR r1, [r0]
    


  48. 

  49.     ; 开中断
    

  50.     CPSIE F
    

  51.     CPSIE I
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:56 | 显示全部楼层
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  1. ; *-----------------------------------------------------------------------
    

  2. ; * void PendSV_Handler(void);
    

  3. ; * r0 --> switch from thread stack
    

  4. ; * r1 --> switch to thread stack
    

  5. ; * psr, pc, lr, r12, r3, r2, r1, r0 are pushed into [from] stack
    

  6. ; *-----------------------------------------------------------------------
    

  7. PendSV_Handler PROC
    

  8.         EXPORT PendSV_Handler
    

  9.         MRS r2, PRIMASK  ; 失能中断，为了保护上下文切换不被中断
    

  10.         CPSID I
    

  11.         
    

  12.         LDR r0, =rt_thread_switch_interrupt_flag   ;加载rt_thread_switch_interrupt_flag 的地址到r0
    

  13.     LDR r1, [r0]                               ; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag 的值到r1
    

  14.         CBZ r1, pendsv_exit                        ;判断r1 是否为0，为0 则跳转到pendsv_exit
    

  15.         MOV r1, #0x00                              ; r1 不为0 则清0 
    

  16.     STR r1, [r0]                               ; 将r1 的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag，即清0
    

  17.     LDR r0, =rt_interrupt_from_thread          ; 加载rt_interrupt_from_thread 的地址到r0
    

  18.     LDR r1, [r0]                               ; 加载rt_interrupt_from_thread 的值到r1
    

  19.         CBZ r1, switch_to_thread ; 判断r1 是否为0，为0 则跳转到switch_to_thread ,第一次线程切换时肯定为0，则跳转到switch_to_thread
    

  20.     ;================================================================================================
    

  21.     ;上文保存
    

  22.     ;================================================================================================
    

  23.     ; 当进入PendSVC Handler 时，上一个线程运行的环境即：
    

  24.     ; xPSR，PC（线程入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（线程的形参）
    

  25.     ; 这些CPU 寄存器的值会自动保存到线程的栈中，剩下的r4~r11 需要手动保存
    

  26.      MRS r1, psp             ; 获取线程栈指针到r1
    

  27.      STMFD r1!, {r4 - r11}   ; 将CPU 寄存器r4~r11 的值存储到r1 指向的地址(每操作一次地址将递减一次)
    

  28.      LDR r0, [r0]            ; 加载r0 指向值到r0，即r0=rt_interrupt_from_thread
    

  29.      STR r1, [r0]            ; 将r1 的值存储到r0，即更新线程栈sp
    

  30.          ;========================================================================================================
    

  31.          ;下文切换
    

  32.          ;========================================================================================================
    

  33.          switch_to_thread
    

  34.                 LDR r1, =rt_interrupt_to_thread ; 加载rt_interrupt_to_thread 的地址到r1,  它 是一个全局变量，里面存的是线程栈指针SP 的指针
    

  35.                 LDR r1, [r1]                   ; 加载rt_interrupt_to_thread 的值到r1，即sp 指针的指针
    

  36.                 LDR r1, [r1]                   ; 加载rt_interrupt_to_thread 的值到r1，即sp
    

  37.                  LDMFD r1!, {r4 - r11} ; 将线程栈指针r1(操作之前先递减) 指向的内容加载到CPU 寄存器r4~r11
    

  38.                  MSR psp, r1     ; 将线程栈指针更新到PSP
    

  39.  
    

  40.          pendsv_exit
    

  41.         MSR PRIMASK, r2 ; 恢复中断
    

  42.         ORR lr, lr, #0x04    ; 确保异常返回使用的栈指针是PSP，即LR 寄存器的位2 要为1
    

  43.     ; 异常返回，这个时候栈中的剩下内容将会自动加载到CPU 寄存器：
    

  44.     ; xPSR，PC（线程入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（线程的形参）
    

  45.     ; 同时PSP 的值也将更新，即指向线程栈的栈顶
    

  46.     BX lr 
    

  47.     ENDP    ; PendSV_Handler 子程序结束
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:56 | 显示全部楼层
任务优先级与时间片
优先级实现了高优先级任务抢占低优先级任务 ，时间片实现了同等优先级的任务分时间片运行。RTOS由中断 ，优先级 ，时间片决定了 其 RealTime OS 中的RealTime特性。下图中，任务a,b,c,d 允许抢占发生 ， b1, b2,b3 允许时间片轮转发生

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:56 | 显示全部楼层
任务就绪表与系统滴答时钟
上图定义的就是任务优先级就绪表 ，就绪表的更新如下步骤：

任务在创建后，会根据任务的优先级，将任务插入到就绪表中
启动调度后，系统将从优先级最高的链表(header0)开始查询就绪任务，并执行最高优先级任务 task_a
task_a中 调用sleep函数，等待下一个system_tick中断到来，在中断处理函数中获取优先级最高的就绪任务执行（b1,b2 ,b3）
依次执行完c1 ,c2 , d , 完成所有任务都运行一遍，此时，再次触发 system_stick 可能没有任务处于就绪态
在system_stick 中断处理函数中遍历任务，若任务剩余阻塞tick不为0 (vTaskDelay和其他阻塞函数设置tick)，则tick-- , 否则调度任务
c1 , c2 处于同一优先级 ， 若c1运行一个周期需要 40ms（未调用阻塞函数，例如运行复杂计算），c2运行周期60ms
当任务时间片设置为5ms时 ， c1运行5ms后，在system_tick中会判断c1剩余时间片为0 ，切换到c2运行5ms , 然后切换到c1运行，知道c1,c2运行完再运行低优先级任务
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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:56 | 显示全部楼层

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 楼主| 米多0036 发表于 2023-9-15 15:56 | 显示全部楼层
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tpgf 发表于 2023-10-7 13:42 | 显示全部楼层
到目前为止这种内核一共有多少个系列了啊
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