移值UCOS2到M4核与M3核的区别
之前移值过ucos2到stm32f2系列的单片机，这个单片机是属于arm的m3内核的。最近在学习永磁同步电机的控制，对于这个电机的控制，有比较多的数学计算，甚至于还有浮点的运算。所以用到了stm32f4系列的单片机，这个单片机内置FPU，可以用几条指令就可以处理单精度的浮点数据，而它是属于M4内核的。因为原先移植过M3的基础，想着应该很快会搞定，没想到移植了几天的时间才搞清楚，下面就记录下M3与M4内核的ucos2的移植不同之处。其实M3与M4内核相差不大，对于我应用的来说，其实最大的不同一是M4的最大主频提高了，二是M4带浮点功能。
1、ucos2移植到M3核的重点（对于ucos2移植到M3内核详细的讲解以及ucos2的结构后续会单独写一篇博客描述）
M3核对于操作系统的支持很好，它有一个NVIC向量中断控制器，它管理着对CM3的所有中断请求。其中有几个队操作系统很重要的中断：
a、SVC（系统服务调用），用于产生系统函数的调用请求，例如操作系统通常不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，让用户程序使用SVC发出对系统服务函数的呼叫请求，以这种方法调用它们来间接访问硬件。因此，当用户程序想要控制特定的硬件时，它就要产生一个SVC异常，然后操作系统提供的SVC异常服务例程得到执行，它再调用相关的操作系统函数，后者完成用户程序请求的服务。这与传统的arm核比如arm7与amr9等的SWI的软件中断异常类似。
b、PendSV（可悬起的系统中断），它是可以像普通的中断一样被悬起的（不像SVC那样会上访）。OS可以利用它“缓期执行”一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动作。悬起PendSV 的方法是：手工往NVIC的PendSV悬起寄存器中写1。悬起后，如果优先级不够高，则将缓期等待执行。所以它常常 被用来进行任务的切换，UCOS2的任务切换就是在这个中断里面实现的。
c、SysTick定时器被捆绑在NVIC中，用于产生SysTick异常（异常号：15）。SysTick定时器能产生中断，CM3为它专门开出一个异常类型，并且在向量表中有它的一席之地。它用于操作系统的滴答时钟。在以前，操作系统还有所有使用了时基的系统，都必须一个硬件定时器来产生需要的“滴答”中断，作为整个系统的时基。滴答中断对操作系统尤其重要。例如，操作系统可以为多个任务许以不同数目的时间片，确保没有一个任务能霸占系统；或者把每个定时器周期的某个时间范围赐予特定的任务等，还有操作系统提供的各种定时功能，都与这个滴答定时器有关。
ucos2对每一个任务都会分配一个任务控制块，任务控制块的首地址存放着该任务的堆栈指针，它存放的数据的格式如在函数，可以看到它的堆栈是向下递增的，也就是说堆栈顶部的位置始终是数值大的地址。首先存放的是M3内核发生异常时自动保存的数据，可以看到任务的函数地址也被保存在内，它的值其实就是任务发生切换时PC的值，如果后续要切换回这个任务了只要做一次PendSV中断，切换PSP指针为这个任务的堆栈指针，当从PendSV中断返回时task的值就会自动的存放到PC寄存器中，这样就做到了任务切换。接着保存M3内核发生异常时没有自动保存的寄存器，剩下的堆栈内容就保存任务函数的一些变量以及函数调用等等。
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{
OS_STK *p_stk; (void)opt; /* 'opt' is not used, prevent warning */
p_stk = ptos; /* Load stack pointer */
/* Registers stacked as if auto-saved on exception */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL; /* xPSR */
*(--p_stk) = (OS_STK)task; /* Entry Point */
*(--p_stk) = (OS_STK)OS_TaskReturn; /* R14 (LR) */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL; /* R12 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL; /* R3 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL; /* R2 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL; /* R1 */
*(--p_stk) = (OS_STK)p_arg; /* R0 : argument */
/* Remaining registers saved on process stack */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL; /* R11 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL; /* R10 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL; /* R9 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL; /* R8 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL; /* R7 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL; /* R6 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL; /* R5 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL; /* R4 */
return (p_stk);
}
接着看到UCOS2在M3内核下运行时的任务切换代码，可以看到任务切换函数，主要是将被打断任务的堆栈保存好，然后将需要运行的任务的堆栈出栈，任何以从进程堆栈中做出栈操作，进行任务切换
PendSV_Handler //;中断处理函数
CPSID I //; Prevent interruption during context switch ;在任务切换时禁止其它中断
MRS R0, PSP //; PSP is process stack pointer ;
CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave //; Skip register save the first time ;检查是否是从进程中进来的，如果不是，直接跳到OS_CPU_PendSVHandler_nosave SUBS R0, R0, #0x20 //; Save remaining regs r4-11 on process stack; 保存中断上下文未自动保存的寄存器
STM R0, {R4-R11} LDR R1, =OSTCBCur // ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
LDR R1, [R1]
STR R0, [R1] //; R0 is SP of process being switched out 保存当前任务堆栈指针到当前任务控制块 //; At this point, entire context of process has been saved
OS_CPU_PendSVHandler_nosave
PUSH {R14} //; Save LR exc_return value
LDR R0, =OSTaskSwHook //; OSTaskSwHook();
BLX R0 //;
POP {R14} //;//只是为了调用OSTaskSwHook函数 LDR R0, =OSPrioCur //; OSPrioCur = OSPrioHighRdy;
LDR R1, =OSPrioHighRdy
LDRB R2, [R1]
STRB R2, [R0] //当前优先级变为找出的需要运行最高优先级任务 LDR R0, =OSTCBCur //; OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
LDR R1, =OSTCBHighRdy
LDR R2, [R1]
STR R2, [R0] //当前任务控制块变为找出需要运行的任务控制块 准备切换任务堆栈 LDR R0, [R2] //; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
LDM R0, {R4-R11} // ; Restore r4-11 from new process stack 取出新任务的R4-R11寄存器值
ADDS R0, R0, #0x20
MSR PSP, R0 // ; Load PSP with new process SP 切换新任务指针给PSP
ORR LR, LR, #0x04 // ; Ensure exception return uses process stack 从进程堆栈中作出出栈操作
CPSIE I // ; 开启中断
BX LR // ; Exception return will restore remaining context 任务切换，切换到新任务被切换时的地址 END
2、ucos2移植到M4核
UCOS2在M3与M4运行任务切换时的原理是一样的，都是利用的PendSV中断。但是保存的寄存器有所不同，因为M4内核可以支持单精度浮点操作，这样就会有了浮点相关的寄存器的保存。这就是与M3内核最大的不同之处。支持浮点运算的M4内核比M3内核多一个FPU模块，它里面有33个寄存器，其中S0-S16是异常上下文会自动保存的。
a、M4内核堆栈的初始化，与M3相比多了保存34个寄存的内容
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void *p_arg), void *p_arg, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{
OS_STK *p_stk; (void)opt; /* 'opt' is not used, prevent warning */
p_stk = ptos; /* Load stack pointer */ #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000000L; //No Name Register
*(--p_stk) = (INT32U)0x00001000L; //FPSCR
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000015L; //s15
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000014L; //s14
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000013L; //s13
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000012L; //s12
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000011L; //s11
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000010L; //s10
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000009L; //s9
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000008L; //s8
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000007L; //s7
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000006L; //s6
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000005L; //s5
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000004L; //s4
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000003L; //s3
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000002L; //s2
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000001L; //s1
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000000L; //s0
#endif /* Registers stacked as if auto-saved on exception */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL; /* xPSR */
*(--p_stk) = (OS_STK)task; /* Entry Point */
*(--p_stk) = (OS_STK)OS_TaskReturn; /* R14 (LR) */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL; /* R12 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL; /* R3 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL; /* R2 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL; /* R1 */
*(--p_stk) = (OS_STK)p_arg; /* R0 : argument */ #if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000031L; //s31
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000030L; //s30
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000029L; //s29
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000028L; //s28
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000027L; //s27
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000026L; //s26
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000025L; //s25
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000024L; //s24
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000023L; //s23
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000022L; //s22
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000021L; //s21
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000020L; //s20
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000019L; //s19
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000018L; //s18
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000017L; //s17
*(--p_stk) = (INT32U)0x00000016L; //s16
#endif
/* Remaining registers saved on process stack */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL; /* R11 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL; /* R10 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL; /* R9 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL; /* R8 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL; /* R7 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL; /* R6 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL; /* R5 */
*(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL; /* R4 */ return (p_stk);
}
a、M4内核的任务切换，与M3相比多了保存16个寄存器
PendSV_Handler //;中断处理函数
CPSID I //; Prevent interruption during context switch ;在任务切换时禁止其它中断
MRS R0, PSP //; PSP is process stack pointer ;
CBZ R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave //; Skip register save the first time ;检查是否是从进程中进来的，如果不是，直接跳到OS_CPU_PendSVHandler_nosave //;Is the task using the FPU context? If so, push high vfp registers.支持M4内核保存S16-S31寄存器
TST R14, #0x10
IT EQ
VSTMDBEQ R0!, {S16-S31} SUBS R0, R0, #0x20 //; Save remaining regs r4-11 on process stack; 保存中断上下文未自动保存的寄存器
STM R0, {R4-R11} LDR R1, =OSTCBCur // ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
LDR R1, [R1]
STR R0, [R1] //; R0 is SP of process being switched out 保存当前任务堆栈指针到当前任务控制块 //; At this point, entire context of process has been saved
OS_CPU_PendSVHandler_nosave
PUSH {R14} //; Save LR exc_return value
LDR R0, =OSTaskSwHook //; OSTaskSwHook();
BLX R0 //;
POP {R14} //;//只是为了调用OSTaskSwHook函数 LDR R0, =OSPrioCur //; OSPrioCur = OSPrioHighRdy
LDR R1, =OSPrioHighRdy
LDRB R2, [R1]
STRB R2, [R0] //当前优先级变为找出的需要运行最高优先级任务 LDR R0, =OSTCBCur //; OSTCBCur = OSTCBHighRdy;
LDR R1, =OSTCBHighRdy
LDR R2, [R1]
STR R2, [R0] //当前任务控制块变为找出需要运行的任务控制块 准备切换任务堆栈 LDR R0, [R2] //; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
LDM R0, {R4-R11} // ; Restore r4-11 from new process stack 取出新任务的R4-R11寄存器值
ADDS R0, R0, #0x20 ;Is the task using the FPU context? If so, push high vfp registers.支持M4内核出栈S16-S31寄存器
TST R14, #0x10
IT EQ
VLDMIAEQ R0!, {S16-S31} MSR PSP, R0 // ; Load PSP with new process SP 切换新任务指针给PSP
ORR LR, LR, #0x04 // ; Ensure exception return uses process stack 从进程堆栈中作出出栈操作
CPSIE I // ; 开启中断
BX LR // ; Exception return will restore remaining context 任务切换，切换到新任务被切换时的地址 END
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