RTOS系列（1）：基础知识——中断嵌套
RTOS系列文章（2）：PendSV功能，为什么需要PendSV
RTOS系列文章（3）: 为什么将SysTick和PendSV的优先级设置为最低
RTOS系列文章（4）: MDK软件仿真 + Debug-(printf)-Viewer使用方法
RTOS系列文章（5）:C语言程序运行原理分析：汇编、栈、栈帧、进栈、出栈、保存现场、恢复现场、返回
RTOS系列文章（6）：Cortex-M3/4之SP，MSP，PSP，Thread模式、Handler模式、内核态、用户态
RTOS系列文章（7）：CM3/4之LR寄存器、EXC_RETURN深入分析
RTOS系列文章（8）：深入分析中断处理过程
RTOS系列文章（9）：再次分析栈帧、函数调用与中断调用的区别
RTOS系列文章（10）：简单OS示例分析
RTOS系列文章（11）：RTOS启动方式——直接设置CONTROL寄存器、SVC启动、PendSV启动

前言

在上一篇文章中，我们分析了启动OS的2种方式，分别为：

直接设置CONTROL寄存器，这种方式比较简单，但是不够优雅，或者说程序架构不够清晰。
通过中断+修改EXC_RETURN的方式，间接设置CONTROL寄存器，来实现OS的启动。
其中方式2是目前RTOS常用的方式，我们以FreeRTOS和uC/OS为例，FreeRTOS是使用SVC来启动第一个任务，即实现OS的启动的。而uC/OS则是通过PendSV来实现启动首个任务，达到启动OS的目的。这两种方式没有好坏之分，只不过在实现理念上，由于FreeRTOS比较年轻，所以基于SVC启动OS的方式，更加安全，比较符合大型OS的设计理念，即OS与应用解耦，应用通过SVC来调用OS的服务。

为什么要使用SVC、PendSV来启动OS

这里可能会有人说，上面的提到两种方式中，直接设置CONTROL寄存器太简单粗暴，那能不能直接设置EXC_RETURN的值，然后BL EXC_RETURN是不是更简单呢？我也想过这个问题，虽然没有真正测试过，但是如果直接 BL EXC_RETURN可能会有如下问题：

EXC_RETURN是CPU专门为中断设计的，使中断服务程序可以使用C来编写，关于EXC_RETURN的详细介绍，可以参考前面的文章。所以使用EXC_RETURN机制，就意味着必须要配合着中断使用，而能被程序配置触发的中断，似乎只有Systick 、PendSV和SVC中断。而Systick中断，我们一般只是提供时钟节拍，不会用于任务调度，上下文切换，所以很显然，我们就剩下2种选择：PendSV和SVC，不过这也足够了。

我们使用中断+EXC_RETURN意味着，我们可以使用CPU专门为中断设计的自动压栈、出栈机制。通过自动出栈机制，实现任务上下文切换后，自动切换到下一个任务，这使得我们的OS启动与任务的调度的代码可以复用，更加简洁。

使用SVC启动OS分析

FreeRTOS就是使用SVC中断来启动OS的，废话不多说，直接上FreeRTOS v9.0的代码：
我们以STM32F103ZET6为例：

prvStartFirstTask

__asm void prvStartFirstTask( void )
{PRESERVE8/* Use the NVIC offset register to locate the stack. */ldr r0, =0xE000ED08   //  0xE000ED08 地址处为VTOR（向量表偏移量）寄存器，存储向量表起始地址//  执行该命令后，R0寄存器内容为0xE000ED08 ldr r0, [r0]            // 将R0中的内容作为地址立即数传给R0,即将0xE000ED08指向的内容作为立即数，// 传递给R0, 以STM32F103启动文件中, 最初地址放置的__initial_sp, 值为0x08000000// 执行该命令后，R0寄存器内容为0x08000000,这正是STM32F103的Flash首地址ldr r0, [r0]          // 将R0中的内容作为地址传递给R0，即将0x08000000指向的内容作为立即数，传递给// R0, 0x08000000中指向的是MSP的初始值，即初始化栈顶// 执行该命令后，R0寄存器值内容为0x20005B30/* Set the msp back to the start of the stack. */msr msp, r0        //  将 __initial_sp的初始值写入 MSP 中 /* Globally enable interrupts. */cpsie i             // 开中断cpsie f               // 开异常dsbisb/* Call SVC to start the first task. */svc 0            //    调用SVC中断   nopnop
}
/*-----------------------------------------------------------*/

在Cortex-M3 处理器，上电后默认使用MSP，为内核态，所以代码执行到这里的时候MSP已经更新了（因为只要执行C函数，都会使用堆栈），而一旦开启OS，程序将永远不会返回到这里，是一条不归路，所以之前使用的堆栈空间，我们就可以回收了，回收的方式也非常简单，重置MSP即可，将MSP再次指向上电初始位置。（从这一点也能看出，FreeRTOS在内存使用上，还是比较节俭的）。

vPortSVCHandler

__asm void vPortSVCHandler( void )
{PRESERVE8ldr   r3, =pxCurrentTCB  // 1. 获取将要运行的任务TCP指针立即数, ldr r1, [r3]           // 2. 将R3指向的内容，作为立即数赋值给R1ldr r0, [r1]            // 3. 将R1指向的内容，作为立即数赋值给R0, 经过1,2，3， 后，R0中其实就存放了第一个将要// 启动运行的任务的 堆栈栈顶(The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack) ldmia r0!, {r4-r11}       // Pop the registers that are not automatically saved on exception entry and // the critical nesting count. 手动出栈，恢复一半现场 msr psp, r0              // 将更新后的任务堆栈地址psp_task 赋值给PSP，用于退出中断时，CPU自动恢复剩余的一半现场 isbmov r0, #0                msr basepri, r0         // 所有的中断都没有被屏蔽,开所有中断orr r14, #0xd           // !!!这里非常重要，R14即LR，此时LR=0xFFFFFFF9，因为程序运行到这里是从线程模式进入中断，// 而且到目前为止，一直在使用MSP，所以LR被CPU自动设置为0xFFFFFFF9，// orr为[或]操作，相当于LR设置为 0xFFFFFFFD,这显然属于EXC_RETURN的取值范围 bx r14                   // 退出中断，由于此时EXC_RETURN为0xFFFFFFFD, 这就相当于告诉CPU 3件事儿：// (1) 中断退出;  (2) 退出后，CPU运行模式为用户态； （3）退出后，使用PSP。
}
/*-----------------------------------------------------------*/

执行完vPortSVCHandler，CPU就会感知到是中断退出，此时CPU会从当前任务的堆栈psp开始，使用PSP，自动出栈，恢复另一半现场，也就是xPSR, PC, R14, R12, R3, R2, R1, R0, 其中PC中存放了第一个任务的运行地址，CPU就开始执行第一个任务，至此，完成了启动第一个任务运行，即OS的启动。

使用SVC启动OS首个任务小结

上述流程虽然与FreeRTOS的有少许的差别，但是基本的流程是一致的。

使用PendSV启动OS分析

uC/OS-II是使用PendSV中断来启动OS的，参考uC/OS-II v2.9.3代码：

OSStart

void  OSStart (void)
{if (OSRunning == OS_FALSE) {OS_SchedNew();                               /* Find highest priority's task priority number   */OSPrioCur     = OSPrioHighRdy;OSTCBHighRdy  = OSTCBPrioTbl[OSPrioHighRdy]; /* Point to highest priority task ready to run    */OSTCBCur      = OSTCBHighRdy;OSStartHighRdy();                            /* Execute target specific code to start task     */}
}

先启动一次任务查找，找到最高优先级的就绪任务，然后调用OSStartHighRdy运行该任务。

OSStartHighRdy

OSStartHighRdyLDR     R0, =NVIC_SYSPRI14                                  ; Set the PendSV exception priorityLDR     R1, =NVIC_PENDSV_PRISTRB    R1, [R0]MOVS    R0, #0                                              ; Set the PSP to 0 for initial context switch callMSR     PSP, R0LDR     R0, =OS_CPU_ExceptStkBase                           ; Initialize the MSP to the OS_CPU_ExceptStkBaseLDR     R1, [R0]MSR     MSP, R1    LDR     R0, =OSRunning                                      ; OSRunning = TRUEMOVS    R1, #1STRB    R1, [R0]LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL                                  ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)LDR     R1, =NVIC_PENDSVSETSTR     R1, [R0]CPSIE   I                                                   ; Enable interrupts at processor level

这里还包括了一些初始化，比如PSP，设置OSRunning标识，最后触发PendSV中断。

OS_CPU_PendSVHandler

OS_CPU_PendSVHandlerCPSID   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; At this point, entire context of process has been saved
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, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stackCPSIE   IBX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining contextEND

上述中，通过PSP来区分是否为首次运行，如果是首次运行，则直接跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave，即初次运行，就不需要保存当前任务的一半现场，而是直接启动当前最高优先级就绪任务。
特别注意，在最后的两个重要指令：

MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SPORR     LR, LR, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stackCPSIE   IBX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context

分别为更新当前任务堆栈地址到PSP，然后对LR进行或运算，此时LR的值为0xFFFFFFF9, 经过与0x04的或运算后，LR值变成了0xFFFFFFFD，然后调用BX LR，这里跟上面分析FreeRTOS的启动流程最后设置EXC_RETURN的机制，本质上是一样的，至此完成了OS的启动。开始运行第一个任务，后面都是一样的，通过Systick Handler来周期更新节拍，判断是否调度，然后通过PendSV进行任务调度，任务上下文切换。

小结

启动RTOS的核心是配置CONTROL寄存器，来创造OS依赖的运行环境：用户态 + 使用PSP，而配置CONTROL寄存器一般有2种方式，分别为：

直接设置CONTROL寄存器，这种方式比较简单，但是不够优雅，或者说程序架构不够清晰。
通过中断+修改EXC_RETURN的方式，间接设置CONTROL寄存器，来实现OS的启动。
其中方式2是目前RTOS常用的方式，我们以FreeRTOS和uC/OS为例，FreeRTOS是使用SVC来启动第一个任务，即实现OS的启动的。而uC/OS则是通过PendSV来实现启动首个任务，达到启动OS的目的。这两种方式没有好坏之分，只不过在实现理念上，由于FreeRTOS比较年轻，所以基于SVC启动OS的方式，更加安全，比较符合大型OS的设计理念，即OS与应用解耦，应用通过SVC来调用OS的服务。

所以，既可以通过PendSV实现OS启动，也可以通过SVC来实现OS启动。但是核心都是使用可编程中断 + 修改EXC_RETURN的方式来设置CONTROL寄存器，这也是主流的启动方式，因为有中断机制的帮助，可以让OS的启动更加合理高效。

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