Hi,欢迎回来！从本课时开始，你需要动手开始编程！

在这里，我们通过一个小的编程代码熟悉前一节课时中介绍的《芯片内核介绍》，同时也会为下一步讲解任务切换原理做一个铺垫。 特别注意：本课时难度较大，需要花很多时间学习！

主要内容

课时中主要通过编写代码、编译、调试来完成一个功能流程。这个流程接下来的《任务切换的实现》非常相似。所以，如果你现在对这个流程搞不明白其具体为什么是这样，没有关系，就当其是个要求实现的流程即可。
这个流程如下：

  • 初始化时，使用blockptr指针变量指向了一个缓冲区空间
  • 在主循环中，不断地对flag进行翻转。同时手动触发pendsvc异常
  • 在pendsvc异常处理函数中
    • 通过stmdb将r4-r11寄存器的内容压到缓冲区中,保存的起始位置为blockptr->stackPtr；
    • 再将最后缓冲区的地址写回到blockptr->stackPtr中
    • 最后通过ldmia将刚才保存到缓冲区r4-r11值恢复到r4-r11寄存器

在后面的课时你会看到，这个流程跟任务切换流程是非常相似的。对比如下：

  • 初始化时，我们的任务初始化一个堆栈空间
  • 在需要任务切换时，手动触发pendsvc异常

  • 在pendsvc异常处理函数中

    • 通过stmdb将r4-r11寄存器的内容压到当前任务栈中,保存的起始位置为PSP指向的位置；
    • 再将最后PSP的值写回到task->Stack中
    • 最后通过ldmia将下一任务的堆栈中保存的r4-r11值恢复到r4-r11寄存器
      对于这个流程的对比，请在学习下一节课《任务切换的实现》时，再回顾。

      重点难点

      本课时的难点在于理解从触发pendsvc异常，进入pendsvc，各指令的意义和功能，到最后退出异常整个流程中的软硬件工作过程。具体来说有以下几点：

  • 触发pendsvc异常。请参考上一节课时《芯片内核简介》

  • 进入pendsvc异常后的工作流程。硬件在进入/退出异常时，会自动保存恢复一部分寄存器（请参考上一节课时《芯片内核简介》）
  • 具体的指令含义。主要是怎样通过LDR/STR指令对指针及其指向的空间进行读写操作。

据以往同学反馈，问题多出现在pendsvc异常处理函数中的汇编指令理解上，此部分请参考下方的PendSV_Handler代码详解。
如有其它疑问，请见下方的常见问题。

注意事项

本课时很难但是很重要，是理解任务切换实现的必备硬件基础，必须掌握。
虽然要花很多时间，但是值得付出！加油！
以下是学员最常问的问题：
Q：这样写不怕定义其他变量后把stackBuffer[1024]地址里的值改了吗，还是因为这个地址存的值没用所以不用管？

A：首先要注意的是，数组stackBuffer有1024个单元。按正常的理解，对数组单元访问，可以使用stackBuffer[0~1023]。
但是假设我们要获取stackBuffer数组的结束地址（最后一个单元的下一地址），那么应该用什么表示方法？可以使用stackBuffer + 1024，与stackBuffer[1024]一个意思。
有同学担心这里越界！其实不必。
所谓的越界，最终要看是不是读写越过数组区域之外的单元，超过并读写才算真正越界。而这里1024只是获取数组的末端地址，并没有读写。所以这并不算越界。
事实上，数组下标可以随意多长的，2048都可以，语法上并没有问题。如果觉得还是难以理解，写成stackBuffer + 1024。
在后面，汇编指令中用的是stmdb，是先递减堆栈地址，-4，再写入寄存器，所以没有用到stackBuffer[1024]单元，而是先写1023单元，再写1022单元，。。。
在后面的《任务定义与切换原理》课时中，会再提及这个问题。

PendSV_Handler代码详解

有同学在看完视频后，对PendSV_Handler中的实现代码仍有很多不解，所以这里用文档再详细标注。如果你在学习视频时遇到同样的问题，请先参考此文档。
该课时中的PendSV_Handler实现，主要用于模拟任务切换时的CPU内核寄存器的保存与恢复。这段代码非常重要，请务必弄懂。主要流程如下：
进入异常硬件自动保存部分寄存器到当前堆栈中

  • 执行STM指令将其余未自动保存的寄存器R4~R11保存到自定义的缓冲区中
  • 执行LDM指令将从自定义缓冲区中恢复之前保存的寄存器值到R4~R11
  • 执行BX LR，硬件自动从当前堆栈中恢复之前保存的寄存器值

源码详解：

__asm void PendSV_Handler () { // blockPtr在main.c中定义，定义为：BlockType_t * blockPtr。 // 在汇编代码中，如要引用C中的符号，必 须先用IMPORT导入。有些类似于在C语言中的extern IMPORT blockPtr

  1. // 加载寄存器存储地址
  2. // LDR R0, =blockPtr ; 将blockPtr变量的地址加载到R0中
  3. // LDR R0, [R0] ; 再从该地址加载32位数据值，也就是将blockPtr的值加载到R0中。在main()中，我们已经设置：
  4. // BlockType_t block;
  5. // block.stackPtr = &stackBuffer[1024];
  6. // blockPtr = █
  7. // 所以，此时R0的值将会是block结构的起始地址。
  8. // LDR R0, [R0]  ; 再次加载32位数据，显示此次就是从block结构开始处加载32位值，根据block结构的定义：
  9. // typedef struct _BlockType_t {
  10.  //    unsigned long * stackPtr;
  11. // }BlockType_t
  12. // 显然，此时R0的值就是stackPtr的值，也就是&stackBuffer[1024];
  13. LDR     R0, =blockPtr
  14. LDR     R0, [R0]
  15. LDR     R0, [R0]
  16. // 保存寄存器

// 此时R0的值就是&stackBuffer[1024]。然后，将R4, R5, .. R11写入到stackBuff缓冲区中，顺序不重要，你只需知道其与下面LDMIA的加载次序正好相反即可。写入前，以R0中地址为基准，每写入一个寄存器前，先对地址减去4，然后再写入寄存器值。完成所有写入之后，将最后的地址覆盖到R0寄存器中 STMDB R0!, {R4-R11}

  1. // 将最后的地址写入到blockPtr中
  2. // LDR R1, =blockPtr ; 将blockPtr变量的地址加载到R1中
  3. // LDR R1, [R1] ; 再从该地址加载32位数据值，也就是将blockPtr的值加载到R1中。在main()中，我们已经设置：
  4. // BlockType_t block;
  5. // block.stackPtr = &stackBuffer[1024];
  6. // blockPtr = █
  7. // 所以，此时R1的值将会是block结构的起始地址。
  8. // STR R0, [R1]  ; 将前面执行STM执行后，R0的值也就是最后写入的地址写入R1中地址指向的位置。
  9. // typedef struct _BlockType_t {
  10.  //    unsigned long * stackPtr;
  11. // }BlockType_t
  12. // 显然，此时R1的值就是block结构的地址，也就是向将R0的值写入到stackPtr。最终实现将最后的写stackBuff的 地址保存到block.stackPtr
  13. LDR     R1, =blockPtr
  14. LDR     R1, [R1]
  15. STR     R0, [R1]
  17. // 修改部分寄存器，用于测试

// 测试代码。用于检查前面的保存(STMDB)，以及后面的恢复(LDMIA)是否正确。如果保存和恢复正确，那么执行LDMIA后，R4,R5的值应为恢复之前的值。 // 如果需要，可在此添加对其它寄存器的修改测试代码。 ADD R4, R4, #1 ADD R5, R5, #1

  1. // 恢复寄存器
  2. // 与STMDB正好相反，从R0地址对应的存储单元中读取多个32位的单元，恢复到R4~R11寄存器。
  3. // 注意到，此时，R0为之前向存储单元写R4~R11的最后单元的地址，所以此时可以正确恢复。
  4. // 具体执行时，首先从当前地址对应的单元处加载数据恢复到寄存器，再将地址+4，如此反复，直到所有寄存器恢复完毕。
  5. LDMIA   R0!, {R4-R11}
  7. // 异常返回
  8. // 异常返回指令，不同于从函数调用。此时LR的值不是函数的返回地址，而是一串特定的值，如0xFFFF_FFFx，见《芯片内核简介》中退出异常小节。
  9. BX      LR

}

常见问题

LDR R0,=blockPtr中的blockPtr算立即数/符号？

Q：LDR R0,=blockPtr 这里的blockPtr算立即数吗？还是表示符？
A：是符号。立即数是LDR R0,=0x12345678这种。这个准确来说是伪指令。LDR R0,=blockPtr 这里是把blockPtr符号本身的地址给了RO，而不是加载blockPtr的内容。
内核编程实践 - 图1

在C文件中使用EQU出错

Q：为什么我在C文件中使用 EQU 会报错
A：你不能在c文件中这样用，只能用在汇编文件中。

LDR R0, [R0]指令的功能

Q：LDR R0, [R0]中[]的作用是什么
A：这条指令的含义表示，将R0寄存器中的内容作为地址，从该地址中读取32位数值并加载到R0寄存器中。类似的，还有其它指令，如LDRH取16位，LDRB取8位。

ADD R4, R4, #1指令含义

Q：请问 ADD R4, R4, #1指令含义
A：将R4=R4+1

LDR R0, =&stackBuffer[15]编译报错？

Q：为什么 LDR R0, =&stackBuffer[15]编译报错 这种写法会报错？
A：汇编不支持这种语法，只能写作LDR Rx, =符号名。汇编语法和C语法差异较大，不要将C中的语法用到汇编中。
如果需要了解完整的汇编指令，请阅读《Cortex-M3权威指南》或者Cortex-M3的技术手册。

异常返回时LR的值含义

Q：程序执行switch函数PendSVHandler_nosave。我对LR的值很不懂，它指向的值是程序返回地址？

A：不是程序入口地址。

内核编程实践 - 图2

Unknown opcode PendSVHandler_nosave, expecting opcode or Macro

Q：source\switch.c(26): error: A1163E: Unknown opcode PendSVHandler_nosave , expecting opcode or Macro。
A：标号PendSVHandler_nosave之前，不要缩进，前面不要留空。ARM汇编器规定，符号不能空格写。

Relocation #REL:1 in switch.o(.emb_text) with respect to NextTask. Value(0x1ffffe98) out of range(0 - 0xfff) for (R_ARM_THM_PC12)

Q：.\Objects\tinyos.axf: Error: L6286E: Relocation #REL:1 in switch.o(.emb_text) with respect to NextTask. Value(0x1ffffe98) out of range(0 - 0xfff) for (R_ARM_THM_PC12)
A：注意那个LDR，如果你是要加载符号的地址话，注意写成LDR Rx, =符号名的形式，

为什么要在BlockType中包含一个指针？

Q：下图中这样的好处是什么？为什么不直接用一个指针，还用结构体里面包含指针

内核编程实践 - 图3

A：这个是为后面讲《任务切换的实现》刻意准备的，就这样设计。后面我们可以看到，我们会为任务定义一个tTask结构，然后在开头包含一个堆栈指针。所以暂时不用考虑为什么这么做，纯粹是为了方便以后的学习。这个课时主要是让你理解下主要的汇编代码怎么写，异常处理函数，以及寄存器的保存与恢复。

IMPORT是不是相当于C中的extern

Q：IMPORT是不是相当于C中的extern
A：是的，其含义就是导入外部符号。

为什么异常处理函数是PendSV_Handler

Q：pendsvc-handler相当于51里面中断的中断处理程序吗？
A：差不多。区别在于51等单片机只有中断的说法。而Cortex-M3中细分为中断和异常。

  • 中断用于响应外部事件，比如IO引脚中断；
  • 异常用于响应内部事件，比如除0异常，系统请求调用，遇到未定义指令等。

Pendsvc属于异常，相应的pendsvc-handler即为异常处理程序。

PendSVC为什么要把地址写入到blockPtr

感谢同学 @小千 的提问
Q：PendSVC-Handler中为什么要把最后的地址写入到blockPtr？后面并没有用到这个地址？
A：这三条指令，是告诉你怎么用汇编实现这个地址的保存，至于用不用在这个课时中不重要。
LDR R1, =currentTask
LDR R1, [R1]
STR R0, [R1]
理解了怎么保存后，在任务切换实现课时中，我就不必再在视频中讲这个功能用汇编代码怎么实现了
课时是循环渐进的，前面的知识点会在后面用到。
所以，你现在只需要学习好怎么实现这个功能。

为什么R4-R11在缓存保存位置会不断增加？

Q：在调试过程中发现，多次运行时，R4-R11在缓存中保存位置不断增加，这是因为SP指针的自动移动导致的吗？
内核编程实践 - 图4
内核编程实践 - 图5
A：不是因为sp的变化，是结构体内的那个指针变量一直在变化。每次进去异常，都取指针值，相应的区域压入r4-11。压入后再将最后地址写回，这样每次写入地址都变化。stmdb表示压入前减地址，所以往低地址变化。关于这段代码的具体含义：请参考PendSV_Handler代码详解注释，看不懂的请见这里)

程序为什么会自动跳转到PendSV_Handler函数

Q：程序为什么会跳转到PendSV_Handler函数，我看main.c没有什么地方设置跳转这个函数的语句？
A：异常发生时，硬件会自动从中断向量表中找入口地址。关于向量表和PendSV_Handler的关系，可以看这里：
为什么pendsvc-handler是异常处理函数
我在视频课时中提过，不需要关心这个细节，只需要知道这么写就可以了。不要在硬件细节上花太多时间，因为课程主要还是学rtos工作原理。换一颗芯片，可能工作方式又有些不太一样。甚至于换用不同的IDE，用不同的工程模板，PendSV_Handler的写法也不同

触发PendSV异常和设置优先级的介绍资料

Q：老师，触发PendSV异常和设置优先级，这部分的内容那个资料上有？我看芯片手册上没有这方面的介绍。
A：请看课程资源的《cortex m3权威指南》或者Cortex-M3内核参考手册

LDR Rd,[Rs]含义

Q：LDR Rd,[Rs];这行代码里，存到Rd里的是Rs本身的地址还是Rs地址内存的数据？
A：感谢同学16+腾威_99f 的回答。 数据,你可以用调试来验证。

STMDB和LDMIA的{R4-R11}的加载顺序

Q：PendSV_Handler里R4-R11压栈和出栈顺序要相反，STMDB是{R4-R11},那LDMIA,不应该是{R11-R4}吗？
A：就这么写，cpu自动处理了，不用管。

Branch Offset 0xFFFFFFE out of Range

Q：c2.02第十课中关于PendSV_Handler中断，这个跳转指令怎么编译不过啊。老是提示超出那个范围了。

内核编程实践 - 图6

A：下面加个NOP指令。这个错误是汇编器要求的，cbz不能这样直接跳