ucos-ii嵌入式操作系统任务调度(二)----任务切换瞬间cpu做了什么以及任务任务切换函数OS_TASK_SW
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一 概述
在上一篇文章《ucos-ii嵌入式操作系统任务调度(一)----任务调度的过程及实现原理》中，我们分析了任务调度过程中的步骤，但是在最后结尾处，我们留了一个小疑问:任务是如何实现切换的呢？在切换的瞬间cpu发生了什么？汇编函数OSCtxSw实现原理又是什么？
在分析这个疑问之前，先看如下几个问题：
- CPU的栈是什么？
- CPU在执行代码，调用函数的过程中，如何传递函数参数？如何正确返回被调用函数的？
- CPU发生中断/异常时，如何响应中断/异常，响应完之后，又是如何跳转回发生异常/中断的地方，继续执行代码的
先看第一个问题
栈:首先从物理意义上来看，它就是位于芯片内部的一端RAM内存(**当然这个说法不一定准确,我理解的是外部sdram是不是也可以作为栈区域，不一定是芯片内部的RAM内存，在我的印象中，会在linker file指定栈地址，欢迎各位大佬不吝赐教 **)。其次从软件代码操作的角度来看，它是仅在表头进行插入和删除操作的线性表，也就说对于码农来说，我们只能在一端读取/写入栈。根据芯片架构的不同，又分为两种栈，栈空间地址向上增长和栈空间地址向下增长。
这个栈是sp指针实时指向的栈。
再看第二个问题
如何实现函数调用时，参数传递？
针对ARM平台，其指令集规定，当参数不超过4个时，我们使用cpu内部的R0~R3来传递参数，如果函数参数超过4个,比如说对于printf函数，我们使用栈来传递参数。
再看第三个问题
cpu发生中断、异常时，会先进行现场保护，把当前cpu各个寄存器的值保存在栈中(R0~R15寄存器，当然就包括了sp指针，pc指针)，保存完之后，就会调转到中断，异常处执行，执行完成之后，就会从栈中恢复当前的状态，并继续运行。
上面三个问题，在这里也是粗浅的做了一些说明，在此就不展开来详细说明，读者可以自行查阅资料
二 过程分析
有了上面的基础认识之后，我们现在来看一下，ucos任务切换的瞬间，发生了什么。
首先任务切换，是通过调用宏OS_TASK_SW()，即汇编函数OSCtxSw实现的，OSCtxSw函数如下：
OSCtxSwLDR R0, =NVIC_INT_CTRL ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)LDR R1, =NVIC_PENDSVSETSTR R1, [R0]BX LR
该汇编函数的目的，就是将寄存器NVIC_INT_CTRL设置为NVIC_PENDSVSET，查阅cortex-m系列内核手册可知，就是使能了PendSV异常，也就是说在这里软件触发了一次异常。
既然这个时候，软件触发了一次异常，根据我们上面的知识，可以知道，在响应异常处理时，cpu会自动先进行现场保存，也就是会将当前cpu各个寄存器的值写入到栈中（这个栈是cpu指针真正指向的栈，也就是我们在linker file中指定的内存区域），保存完之后，就会响应异常处理了，异常处理函数如下：
PendSV_HandlerCPSID I ; Prevent interruption during context switchMRS R0, PSP ; PSP is process stack pointerCBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ; Skip register save the first timeSUBS R0, R0, #0x20 ; Save remaining regs r4-11 on process stackSTM R0, {R4-R11}LDR R1, =OSTCBCur ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;LDR R1, [R1]STR R0, [R1] ; R0 is SP of process being switched out逐句分析
CPSID I ；关闭中断，防止切换期间被打扰，在切换期间有可能产生新的中断，更新堆栈中的信息
MRS R0, PSP ；将cpu的堆栈指针psp送给R0，此时R0也指向栈顶
CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave ；如果 R0 = 0，跳到OS_CPU_PendSVHandler_nosave，即不保存上下文；如果R0 ！= 0，则继续往下执行；为什呢？因为首次调用时，是没有上文的，我们只需要切换到下文即可
；保存上文 （如果是第一次切换，则不执行下面的语句，直接执行OS_CPU_PendSVHandler_nosave）
SUBS R0, R0, #0x20 ；因为寄存器是32位的，4字节对齐，自动压栈的寄存器有8个，所以偏移为8*0x04=0x20
STM R0, {R4-R11} ；除去自动压栈的寄存器外，需手动将R4-R11压栈
LDR R1, =OSTCBCurLDR R1, [R1] STR R0, [R1] ；这里为什么是三行？ARM是RISC结构，数据从内存到CPU之间的移动只能通过L/S指令来完成，也就是ldr/str指令，先让R1=OSTCBCur（注意这里R1存放的是一个地址），然后将这个地址指向的值赋值给R1，最后再将R1中的值付给R0，其实最终目的就是将R0寄存器值，写入到当前用户分配的堆栈中去
接着就是切换到下文了，如下：
OS_CPU_PendSVHandler_nosavePUSH {R14} ; Save LR exc_return valueLDR R0, =OSTaskSwHook ; OSTaskSwHook();BLX R0POP {R14}LDR R0, =OSPrioCur ; OSPrioCur = OSPrioHighRdy;LDR R1, =OSPrioHighRdyLDRB R2, [R1]STRB R2, [R0]LDR R0, =OSTCBCur ; OSTCBCur = OSTCBHighRdy;LDR R1, =OSTCBHighRdyLDR R2, [R1]STR R2, [R0]LDR R0, [R2] ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;LDM R0, {R4-R11} ; Restore r4-11 from new process stackADDS R0, R0, #0x20MSR PSP, R0 ; Load PSP with new process SPORR LR, LR, #0xF4 ; Ensure exception return uses process stackCPSIE IBX LR ; Exception return will restore remaining context
同样，逐句分析
PUSH {R14} ; LR压栈，下面要调用C函数，调用C函数时，将用来保存返回的函数地址
LDR R0, =OSTaskSwHook ; 调用OSTaskSwHook();
BLX R0 ; 调用OSTaskSwHook()结束并返回
POP {R14} ; 恢复 LR 寄存器，与前面对应
LDR R0, =OSPrioCur ; 置OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
LDR R1, =OSPrioHighRdy
LDRB R2, [R1]
STRB R2, [R0]
LDR R0, =OSTCBCur ; 置OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
LDR R1, =OSTCBHighRdy
LDR R2, [R1]
STR R2, [R0]
LDR R0, [R2] ; R0中的值为新任务的SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
LDM R0, {R4-R11} ; 堆栈中的值手动弹出到寄存器：R4-R11
ADDS R0, R0, #0x20
MSR PSP, R0 ; PSP = 新任务SP，将SP的指针指向堆栈的顶端
ORR LR, LR, #0x04 ; 确保异常返回后使用PSP
CPSIE I ; 重新打开中断，与开始关闭中断对应
BX LR ; 退出异常，从PSP自动弹出xPSR，PC，LR，R0-R3，进入新任务运行
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