MQX心得之从异常到任务

对于任何一个多任务系统而言，由于涉及效率和安全性，其任务调度都是一个非常关键的部分。一般而言，由于涉及底层硬件的中断机制，这部分的代码都是用汇编完成的，MQX也不例外。这部分的程序可以在dispatch.s中找到。

在提具体程序之前先要说两个异常，第一个是SVC，另一个是PendSV。这两个异常都拿来给用户自定义用的，前一个一般用于系统调用，后一个一般用于任务切换。首先说一下为什么要有系统调用这么一个玩意：arm规定了两个特权级：Privileged和Unprivileged。这个我之前“中断机制（中）”就已经说过了，忘记的同学可以回过去看一下。不过我之前说的有错误，那就是MQX并不是一直运行在Privileged下的，只要你定义了#define MQX_ENABLE_USER_MODE，就可以利用MQX_USER_TASK来创建Unprivileged级别的任务。一旦任务运行在Unprivileged下面，有些事情就不能做了。比如MPU会限制你访问末段区域，NVIC寄存器不能操作等等。这些限制手段都是用来防止一些非法操作导致系统崩溃的。但是如果是一个Unprivileged级别的任务想在某种合法的模式下完成一些只有Privileged级别才能完成的操作的话，那就只能依靠系统调用了。

系统调用依赖的是一个异常，这个异常能够在Unprivileged下面主动触发，使得系统进入Privileged的异常服务里面。最著名的系统调用莫过于x86的int 80中断，不过这个中断并非天生就是可以在Unprivileged下能触发的，而是要在启动的时候通过参数设置，我们这里讨论的是arm就不多说了。arm下面的SVC异常是专门针对系统调而设计的异常，无需涉及就能在Unprivileged下触发，触发指令非常简单只要一个svc n（n是一个8位数）就可以了。在SVC异常中，系统根据之前的n，选择相应的系统调用，非常的方便。

而PendSV是arm为了多任务系统专门设计的用于任务切换的异常。具体的说明详见宋岩的《Cortex-M3 权威指南》，里面说的很详细了。

我看过stm32的ucos和rt thread任务切换的汇编码，它们没有使用SVC的系统调用机制，切换机制都是直接使用PendSV的。这是因为它们都没有Unprivileged级别的任务，试想如果一个Unprivileged级别的任务想要放弃cpu，但它没有权限触发PendSV（触发PendSV的寄存器是ICSR，Unprivileged级别下无法访问。），那它如何完成任务的切换呢？这个对于MQX就非常简单了，MQX只需要设置一个相应的系统调用，在这个系统调用中触发这个PendSV就可以了。事实上，MQX采取的就是这样的机制。

涉及任务调度的SVC和PendSV流程图如下：

       其实SVC一共有四个功能外，除了系统调用之外，剩下的3个的都是和任务调度相关的。SVC_RUN_SCHED是用来启动任务调度机制的，SVC_TASK_BLOCK功能是阻塞一个任务使其不再被调度，而SVC_TASK_SWITCH就是进行正常的任务调度，具体流程如上图所示。要注意虽然SVC_RUN_SCHED和SVC_TASK_BLOCK、SVC_TASK_SWITCH后面部分大同小异，但是我还是将其分列出来了。因为前者是在SVC异常完成这个操作的，而后者是在SVC触发了PendSV，之后在PendSV异常处理中完成相关操作的。至于为什么SVC_RUN_SCHED没有使用PendSV，是因为它并不需要“将r2-r11,lr压入当前任务堆栈”这个步骤，这个我之后会在堆栈切换部分解释。还要注意一点，一旦系统优先级队列中没有就绪的任务，MQX会通过wfi指令进入休眠，当然在休眠之前要开中断，不然再也醒不过来了。一旦被中断唤醒后（一般系统会执行中断的服务程序修改优先级队列后再回到这里，不然没有任何意义，所以对应中断的优先级要高于SVC和PendSV。），MQX会再次重复检查最高优先级任务的工作，一旦找到就切换至最高优先级任务。

现在来说堆栈的切换。其实切换任务就是切换堆栈，之前说的arm会将中断或是调SVC异常之前的上下文环境存在之前的任务堆栈，所以一旦切换的相应的任务堆栈，通过arm从异常中返回机制就可以恢复我们要切换任务的上下文环境，进而来达成切换任务的目的。但是一个新创建的任务在没有调度之前，由于根本没有发生中断或异常，arm没有为其自动堆栈完成上下文环境，所以这需要我们手工完成这个第一次堆栈。

在这里要要道个歉，上篇博文“任务数据结构”最后一个关于任务堆栈的贴图不太完整的，我漏掉了PENDSVPRIOR～LR2这部分内容，在这里我做出更正。这部分堆栈一些内容已经赋值，是在_psp_build_stack_frame函数里。先看流程图中的“从该任务堆栈弹出r2-r11,lr”语句，当前任务堆栈是指向PENDSVPRIOR，这个操作也就是把r2=PENDSVPRIOR，r3=BASEPRI，r4=r4…lr=LR2=0xfffffffd。之前不是说了，启动任务调度SVC_RUN_SCHED没有调用PendSV异常，因为PendSV异常开始会替当前任务堆这11的字的栈，但如果是第一次运行的话这个栈是事先堆好的，如果再堆就重复了。通过这个操作，我们达成了：1）获取任务的BASEPRI；2）更新了LR=0xfffffffd；3）设置PSP指向R0，为从异常切换到任务做好准备。

arm会根据LR的内容，选择从异常返回到哪里。这里LR=0xfffffffd，就是说明返回状态是thread，不再是中断或是异常了，而使用堆栈是SP=PSP，也就是我们图中的那个堆栈，当前PSP指向R0。根据arm的规定，返回时从SP中依次弹出R0~R3、R12、LR、PC、PSP。图中所注明的手工堆栈指的是通过指令完成的堆栈，而自动堆栈是arm自动完成的堆栈（虽然只是弹出是自动的）。这样之后PC=（template_ptr->TASK_ADDRESS) | 1，这里TASK_ADDRESS是任务的执行函数，而最后一位为1是注明此为thumb指令。而R0是任务的执行函数的参数create_parameter，这个函数的返回地址也准备好了在LR中，为_task_exit_function_internal，是任务退出的代码。于是乎MQX就这样轻松的完成了从异常到任务的切换。