【freertos】002-posix模拟器设计与cortex m3异常处理

前言
posix 标准接口层设计
cortex M3/M4异常处理

前言

如果对硬件任务内核切换不感兴趣的同学可以跳过。

由于任务源码分析开始涉及到接口层，所以在学习源码前，先了解下posix接口层的设计。

本系列接口层会讲解两个：

posix标准接口。因为本教程demo在linux上跑freertos时实际使用的就是这个接口。
cortex m3/m4架构接口。因为这才是真正设计到ARM架构硬件的接口。且，这个网上资料较多，看不懂本作者的笔记也可以找度娘辅助分析。

强烈建议：

涉及到接口，建议找到对应的架构权威指南学习，掌握底层原理。
对于指向学习系统应用的同学，快速移植，直接在freertos原生代码中找到结构层进行替换即可。

参考：

ARM开发官网：http://infocenter.arm.com/
《The Definitive Guide to Arm Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors_c.pdf》
李柱明博客:https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/16062486.html

posix 标准接口层设计

模拟器不涉及到CPU寄存器组。

模拟器的系统心跳

RTOS系统周期是使用ITIMER生成的，并且信号仅被传递给当前执行的pthread。

RTPS系统滴答信号处理器增加滴答计数，并选择下一个RTOS任务上下文。

它恢复该线程，并向自己发送一个信号来暂停。

挂起仅在系统滴答信号处理程序退出时进行处理，因为信号已排队。

模拟器的task底层实质

FreeRTOS模拟器的实现是简单地包装平台本地线程，所有切换任务上下文的调用将调用OS挂起和恢复线程API。

这个模拟器使用Posix条件变量和Signals来控制底层Posix线程的执行。

信号可以异步地传递给线程，这样它们就会中断目标线程的执行，而挂起的线程则会等待条件变量恢复。

模拟器的任务切换原理

当一个新的Task被创建时，一个pthread被创建为Task的执行上下文。

pthread立即挂起自己，并将执行返回给创建者。

当一个pthread挂起时，它正在pthread_cond_wait调用中等待，这个调用被阻塞，直到它收到一个恢复信号pthread_cond_signal。

任务可以通过协作调用taskYIELD()或RTOS系统Tick调度两种方式。

在这个模拟器中，通过恢复下一个任务上下文(由FreeRTOS Scheduler决定)和挂起当前上下文(两者之间进行简短的握手)来切换Task上下文。

cortex M3/M4异常处理

参考：《The Definitive Guide to Arm Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors_c.pdf》

读者可以翻看cortex m3/m4的权威指南查看更多细节即可，本教程只粗略说明下异常时栈帧的动态过程。

CPU寄存器组可自行百度。

双堆栈指针

Cortex-M3内核有两个堆栈指针：

MSP：主堆栈指针，是给系统栈空间使用的。
PSP：进程堆栈指针，是给任务栈使用的。

在FreeRTOS任务中，所有栈空间的使用都是通过PSP指针进行指向的。

一旦进入了中断函数以及可能发生的中断嵌套都是用的MSP指针。

双操作模式

Cortex-M3支持两种操作模式（handler模式和thread模式），这两种模式是为了区别正在执行代码的类型：

handler模式为异常处理程序的代码。
线程模式为普通应用程序的代码。

栈帧

异常后硬件压栈部分：

下图描述的是启用或需要双字栈对齐调整时，Cortex-M3或Cortex-M4处理器（不带浮点）的栈帧。
双字栈对齐这个特性是AAPCS规则的一个要求，意思是栈指针的数值在函数入口或出口处应该是双字对齐，若未对齐，异常硬件压栈时会自动插入一个字来保证双字对齐。（了解即可）

注意，异常时硬件压栈的LR值和函数调用时的函数栈帧中的LR值是不一样的，具体可以了解下EXC_RETURN。

EXC_RETURN

进入异常服务程序以后，LR的值被自动更新为特殊的EXC_RETURN（只有[3:0]位有意义，其他位都为1）。如图说明：

位段	意义
3	0：返回后进入Handler模式 1：返回后进入线程模式
2	0：从主堆栈中执行出栈操作，返回后使用MSP 1：从进程栈中执行出栈操作，返回后使用PSP
1	保留，必须为0
0	0：返回ARM状态 1：返回Thumb状态（在CM3中必须为1）

有效值如下：

如主程序在线程模式下运行，并且在使用PSP时被中断，则在服务程序中LR=0xFFFFFFFD（主程序被打断前LR已被自动入栈）。

异常及异常嵌套时LR动态及栈指针使用过程：下图是线程模式使用进程栈为基础：