3.5 任务切换

当调用OSStartHighRdy()函数，触发PendSV异常后，就需要编写PendSV异常服务函数，然后在其中进行任务切换。PendSV异常服务函数具体参见代码清单3-27。PendSV异常服务函数名称必须与启动文件向量表中PendSV的向量名一致，如果不一致，则内核无法响应用户编写的PendSV异常服务函数，只响应启动文件中默认的PendSV异常服务函数。启动文件中为每个异常都编写好了默认的异常服务函数，函数体都是一个死循环，当发现代码跳转到这些启动文件中默认的异常服务函数时，就要检查异常函数名称是否写错了，是否与向量表中的一致。PendSV_Handler函数中涉及的ARM汇编指令的讲解如表3-3所示。

代码清单3-27 PendSV异常服务函数

1 ;***********************************************************************
 2 ;                          PendSVHandler异常
 3 ;***********************************************************************
 4 PendSV_Handler
 5 ; 关中断，NMI和HardFault除外，防止上下文切换被中断
 6   CPSID   I(1)
 7 
 8 ; 将PSP的值加载到R0
 9   MRS     R0, PSP(2)
10 
11 ; 判断R0，如果值为0，则跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave
12 ; 进行第一次任务切换时，R0肯定为0
13   CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave   (3)
14 
15 ;-------------------------保存上文-----------------------------
16 ; 任务的切换，即把下一个要运行的任务栈的内容加载到CPU寄存器中
17 ;-------------------------------------------------------------- 
18 ; 进入PendSV异常时，当前CPU的xPSR、PC（任务入口地址）、
19 ; R14、R12、R3、R2、R1、R0会自动存储到当前任务栈，
20 ;同时递减PSP的值，可通过代码：MRS R0, PSP 把PSP的值传给R0
21 
22 ; 手动存储CPU寄存器R4~R11的值到当前任务栈
23   STMDB   R0!, {R4-R11}(15)
24 
25 
26 ; 加载 OSTCBCurPtr 指针的地址到R1，这里LDR属于伪指令
27   LDR     R1, = OSTCBCurPtr(16)
28 ; 加载 OSTCBCurPtr 指针到R1，这里LDR属于ARM指令
29   LDR     R1, [R1](17)
30 ; 存储R0的值到OSTCBCurPtr->OSTCBStkPtr，这时R0存储的是任务空闲栈的栈顶
31 STR     R0, [R1] (18)
32 
33 ;-------------------------切换下文-----------------------------
34 ; 实现 OSTCBCurPtr = OSTCBHighRdyPtr
35 ; 把下一个要运行的任务栈的内容加载到CPU寄存器中
36 ;--------------------------------------------------------------
37 OS_CPU_PendSVHandler_nosave  (4)
38 
39 ; 加载 OSTCBCurPtr 指针的地址到R0，这里LDR属于伪指令
40   LDR     R0, = OSTCBCurPtr(5)
41 ; 加载 OSTCBHighRdyPtr 指针的地址到R1，这里LDR属于伪指令
42   LDR     R1, = OSTCBHighRdyPtr(6)
43 ; 加载 OSTCBHighRdyPtr 指针到R2，这里LDR属于ARM指令
44   LDR     R2, [R1](7)
45 ; 存储 OSTCBHighRdyPtr 到 OSTCBCurPtr  
46   STR     R2, [R0](8)
47 
48 ; 加载 OSTCBHighRdyPtr 到 R0 
49   LDR     R0, [R2](9)
50 ; 加载需要手动保存的信息到CPU寄存器R4~R11  
51   LDMIA   R0!, {R4-R11}(10)
52 
53 ; 更新PSP的值，这时PSP指向下一个要执行的任务栈的栈底
54 ;（这个栈底已经加上刚刚手动加载到CPU寄存器R4~R11的偏移）
55   MSR     PSP, R0(11)
56 
57 ; 确保异常返回使用的栈指针是PSP，即LR寄存器的位2要为1  
58   ORR     LR, LR, #0x04 (12)
59 
60 ; 开中断
61   CPSIE   I (13)
62 
63 ; 异常返回，这时任务栈中剩下的内容将会自动加载到xPSR、
64 ; PC（任务入口地址）、R14、R12、R3、R2、R1、R0（任务的形参）
65 ; 同时PSP的值也将更新，即指向任务栈的栈顶
66 ; 在STM32中，栈是由高地址向低地址生长的
67   BX      LR  (14)

代码清单3-27中，PendSV异常服务中主要完成两项工作，一是保存上文，即保存当前正在运行的任务的环境参数；二是切换下文，即把下一个需要运行的任务的环境参数从任务栈中加载到CPU寄存器，从而实现任务的切换。

PendSV异常服务中用到了OSTCBCurPtr和OSTCBHighRdyPtr这两个全局变量，它们在os.h中定义，要想在汇编文件os_cpu_a.s中使用，必须将这两个全局变量导入os_cpu_a.s中，具体导入方法参见代码清单3-28。

代码清单3-28 导入OSTCBCurPtr和OSTCBHighRdyPtr到os_cpu_a.s

1 ;*******************************************************************
 2 ;                           全局变量&函数
 3 ;*******************************************************************
 4     IMPORT  OSTCBCurPtr              ; 外部文件引入的参考(1)
 5     IMPORT  OSTCBHighRdyPtr
 6 
 7     EXPORT  OSStartHighRdy           ; 该文件定义的函数(2)
 8     EXPORT  PendSV_Handler

代码清单3-28（1）：使用IMPORT关键字将os.h中的OSTCBCurPtr和OSTCBHighRdyPtr这两个全局变量导入该汇编文件，从而该汇编文件可以使用这两个变量。如果是函数，也可以使用IMPORT导入。

代码清单3-28（2）：使用EXPORT关键字导出该汇编文件中的OSStartHighRdy和PendSV_Handler函数，让外部文件可见。除了使用EXPORT导出外，还要在某个C的头文件中声明这两个函数（在μC/OS-III中是在os_cpu.h中声明），这样才可以在C文件中调用这两个函数。

接下来具体讲解代码清单3-27中主要代码的含义。

代码清单3-27（1）：关中断，NMI和HardFault除外，防止上下文切换被中断。在上下文切换完毕之后，会重新开中断。

代码清单3-27（2）：将PSP的值加载到R0寄存器。MRS是ARM 32位数据加载指令，功能是加载特殊功能寄存器的值到通用寄存器。

代码清单3-27（3）：判断R0，如果值为0，则跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave。进行第一次任务切换时，PSP在OSStartHighRdy初始化为0，所以这时R0肯定为0，因此跳转到OS_CPU_PendSVHandler_nosave。CBZ是ARM 16位转移指令，用于比较，结果为0则跳转。

代码清单3-27（4）：当第一次切换任务时，会跳转到这里运行。当执行过一次任务切换之后，则顺序执行到这里。这个标号以后的内容属于下文切换。

代码清单3-27（5）：加载OSTCBCurPtr指针的地址到R0。在ARM汇编中，操作变量都属于间接操作，即要先获取这个变量的地址。这里LDR属于伪指令，不是ARM指令。例如“LDR Rd,=label”，如果label是立即数，那么Rd等于立即数；如果label是一个标识符，比如指针，那么存到Rd的就是label这个标识符的地址。

代码清单3-27（6）：加载OSTCBHighRdyPtr指针的地址到R1，这里LDR也属于伪指令。

代码清单3-27（7）：加载OSTCBHighRdyPtr指针到R2，这里LDR属于ARM指令。

代码清单3-27（8）：存储OSTCBHighRdyPtr到OSTCBCurPtr，实现将下一个要运行的任务的TCB存储到OSTCBCurPtr。

代码清单3-27（9）：加载OSTCBHighRdyPtr到R0。TCB中第一个成员是栈指针StkPtr，所以这时R0等于StkPtr，后续操作任务栈都是通过操作R0来实现，不需要操作StkPtr。

代码清单3-27（10）：将任务栈中需要手动加载的内容加载到CPU寄存器R4～R11，同时会递增R0，让R0指向空闲栈的栈顶。LDMIA中的I是increase的缩写，A是after的缩写，R0后面的“！”表示会自动调节R0中存储的指针。当任务被创建时，任务的栈会被初始化，初始化的流程是先让栈指针StkPtr指向栈顶，然后从栈顶开始依次存储异常退出时会自动加载到CPU寄存器的值和需要手动加载到CPU寄存器的值，具体代码实现参见代码清单3-12中的OSTaskStkInit()函数，栈空间的分布情况如图3-3所示。当把需要手动加载到CPU的栈内容加载完毕之后，栈空间的分布图和栈指针指向如图3-4所示，注意这时StkPtr不变，改变的是R0。

代码清单3-27（11）：更新PSP的值，这时PSP与图3-4中R0的指向一致。

代码清单3-27（12）：设置LR寄存器的位2为1，确保异常退出时使用的栈指针是PSP。当异常退出后，就切换到就绪任务中优先级最高的任务继续运行。

代码清单3-27（13）：开中断。上下文切换已经完成了3/4，剩下的就是异常退出时自动保存的部分。

代码清单3-27（14）：异常返回，这时任务栈中的剩余内容将会自动加载到xPSR、PC（任务入口地址）、R14、R12、R3、R2、R1、R0（任务的形参）寄存器，同时PSP的值也将更新，即指向任务栈的栈顶，这样就切换到了新的任务。这时栈空间的分布具体如图3-5所示。

代码清单3-27（15）：手动存储CPU寄存器R4～R11的值到当前任务栈。当出现异常，进入PendSV异常服务函数时，当前CPU寄存器xPSR、PC（任务入口地址）、R14、R12、R3、R2、R1、R0会自动存储到当前任务栈，同时递减PSP的值，这个时候当前任务的栈空间分布如图3-6所示。当执行“STMDB R0!,{R4-R11}”后，当前任务的栈空间分布图如图3-7所示。

代码清单3-27（16）：加载OSTCBCurPtr指针的地址到R1，这里LDR属于伪指令。

代码清单3-27（17）：加载OSTCBCurPtr指针到R1，这里LDR属于ARM指令。

代码清单3-27（18）：存储R0的值到OSTCBCurPtr->OSTCBStkPtr，这时R0存储的是任务空闲栈的栈顶。执行到了这里，才完成了上文的保存。这时当前任务的栈空间分布和栈指针指向如图3-8所示。