OS支援特性

一.簡介

處理器架構實現了多個特性，保證os設計的方便和高效，例如：

二.影子棧指標

cortex-m處理器有兩個棧指標：

對於具有嵌入式os或rtos的系統，每個應用任務都有自己的棧空間，如圖所示，os的上下文切換**在每次上下文切換時都會更新psp。

一般來說，要使用程序棧，需要將os置於處理模式，直接程式設計psp後利用異常返回流程「跳轉」到應用任務。

例如，當os從執行緒模式啟動時，可以利用svc異常進入處理模式，如圖，然後可以建立程序棧中的棧幀，且觸發使用psp的異常返回。當載入棧幀時，應用任務就會啟動。

在os設計中，需要在不同任務間切換，這一般被稱作上下文切換，其通常在pendsv異常處理中執行，該異常可由systick異常觸發。

上下文切換操作中需要：

如下圖所示：

需要注意的是，上下文切換在pendsv中執行，其異常優先順序一般會被設定為最低。這樣會避免在中斷處理過程中產生上下文切換！

三.svc異常

svc（請求管理呼叫）的異常型別為11，且優先順序可程式設計。

在許多系統中，svc機制可用於實現應用任務訪問系統資源api，如下圖

對於高可靠性的系統，應用任務可以執行在非特權訪問等級，而且有些硬體資源可被設定為只支援特權訪問（利用mpu），應用任務只能通過os的服務訪問這些受保護的硬體資源。按照這種方式，由於應用任務無法獲得硬體的訪問許可權，嵌入式系統會更加健壯和安全。

由於應用任務無須了解os服務函式的確切位址，因此有了svc，應用任務可以單獨開發。應用任務只需知道svc服務編號以及os服務所需的引數，實際的硬體級的程式設計由裝置驅動處理。

在執行svc處理時，可以在讀取壓棧的程式計數器（pc）數值後從該位址讀出指令並遮蔽掉不需要的位，以確定svc指令中的立即數。不過，執行svc的程式可以使用主棧也可以使用程序棧。因此，在提取壓棧的pc數值前，需要確定壓棧過程使用的是哪個棧，此時可以檢視進入異常處理時鏈結暫存器（lr）的數值，如下圖

對於c程式設計環境，需要將svc處理分為兩個部分：

第一部分示例如下：

svc_handler為cmsis-core中的標準函式名，在得到棧幀的起始位址後，它會被傳遞給svc處理中的c程式部分svc_handler_c。第二部分如下：

傳遞棧幀位址的好處在於，c處理可以提取出棧幀中的任何資訊，包括壓棧暫存器在內，並可通過暫存器將引數傳遞給svc服務以及獲得svc服務的返回值。

傳遞引數且返回數值的乙個svc服務例項如下：

由於異常優先順序模型的限制，無法在svc處理內部使用svc（因為優先順序和當前優先順序相同），非要這麼做會導致使用錯誤異常，由於同樣的原因，也無法在nmi處理或hardfault處理中使用svc。

四.pendsv異常

pendsv（可掛起的系統呼叫）異常編號為14且具有可程式設計的優先順序。它的掛起狀態可在更高優先順序異常處理內設定，且會在高優先順序處理完成後執行。

利用該特性，若將pendsv設定為最低的異常優先順序，可以讓pendsv異常處理在所有其他中斷處理任務完成後執行。這對於上下文切換非常有用。

os核心的執行可以由以下條件觸發：

若中斷請求（irq）在systick異常前發生，則systick異常可能會搶占irq處理。在這種情況下，os核心不應該執行上下文切換。否則，irq處理就會被延遲，如圖：

為了解決這個問題，pendsv異常將上下文切換請求延遲待所有其他irq處理都已經完成以後，此時需要將pendsv設定為最低優先順序。如os需要執行上下文切換，它會設定pendsv的掛起狀態，並在pendsv異常內進行上下文切換。

pendsv還可用於提高中斷的響應速度，可以將中斷服務處理劃分為兩個部分：

五.實際的上下文切換

上下文切換操作有pendsv異常處理執行，由於異常流程已經儲存了r0~r3,r12,lr,pc和xpsr。pendsv只需將r4~r11儲存到程序棧，如圖：