rt-thread中的壓棧與出棧

1.說明

主要想分析一下rt-thread中線程的壓棧與入棧的相關操作。從而更好的掌握線程切換與線程恢復的相關知識。

2.使用場景

首先需要明白的是什么情況下需要進行壓棧與出棧的操作？對于這個問題可以做這樣的設想，當程序一直做一件事的時候，是順序執(zhí)行的，不會有任何干擾。但是此時來了一個中斷，那么程序邏輯肯定會優(yōu)先去處理中斷。那么這時需要做哪些事情？

也許這個例子有點脫離實際，講的通俗明白一些，就是一個人在專注的完成一件事，此時應該是很順利的進行。但是當事情還沒有做完，但是又有一個更加緊急的事情需要你去處理，這時應該怎么做？

對于一個人來講：

(1)將手里沒有做完的事情保留起來，保留當前的進度

(2)將大腦清空，全力完成更加重要的事情

(3)恢復到?jīng)]有做完的事情的現(xiàn)場，去接著完成沒有做完的事情

人的大腦是這樣工作的，其實芯片的邏輯也需要這樣執(zhí)行，我們知道芯片如何知道當前程序的狀態(tài)，無外乎幾個重要的寄存器，sp(程序指針寄存器)，通用寄存器Rx，以及LR鏈接寄存器等等。有了這些信息，就可以知道程序當前運行的狀態(tài)了，這個就是程序的現(xiàn)場。

對于armv7來說，寄存器可以分為以下幾種：

在rt-thread操作系統(tǒng)中，涉及到壓棧與出棧操作的有兩個地方，第一個是中斷的進入與中斷處理完成后的退出，第二個是線程的切換。

3.簡單分析一下rt-thread線程棧的初始化

對于/bsp/qemu-vexpress-a9來說，系統(tǒng)上電后執(zhí)行rtt的第一行代碼在/libcpu/arm/cortex-a/start_gcc.S文件。

然后執(zhí)行_reset函數(shù)，這個函數(shù)是匯編函數(shù)寫的，因為前期沒有棧空間，所以代碼需要采用匯編指令完成。

然后分配棧空間等等。執(zhí)行到rtt的其他部分邏輯。這里就不贅述了。這里主要分析的是線程的初始化。

每一個線程在初始化的時候，需要分配?？臻g

rt_thread_create/rt_thread_init --> _rt_thread_init --> rt_hw_stack_init

最后調(diào)用到了/libcpu/arm/cortex-a/stack.c文件。

rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry, void *parameter,
                            rt_uint8_t *stack_addr, void *texit)
{
   rt_uint32_t *stk;

   stack_addr += sizeof(rt_uint32_t);
   stack_addr  = (rt_uint8_t *)RT_ALIGN_DOWN((rt_uint32_t)stack_addr, 8);
   stk      = (rt_uint32_t *)stack_addr;
   *(--stk) = (rt_uint32_t)tentry;         /* entry point */
   *(--stk) = (rt_uint32_t)texit;          /* lr */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r12 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r11 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r10 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r9 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r8 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r7 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r6 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r5 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r4 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r3 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r2 */
   *(--stk) = 0xdeadbeef;                  /* r1 */
   *(--stk) = (rt_uint32_t)parameter;      /* r0 : argument */
   /* cpsr */
   if ((rt_uint32_t)tentry & 0x01)
       *(--stk) = SVCMODE | 0x20;          /* thumb mode */
   else
       *(--stk) = SVCMODE;                 /* arm mode   */

#ifdef RT_USING_LWP
   *(--stk) = 0;       /* user lr */
   *(--stk) = 0;       /* user sp*/
#endif
#ifdef RT_USING_FPU
   *(--stk) = 0;       /* not use fpu*/
#endif

   /* return task's current stack address */
   return (rt_uint8_t *)stk;
}

初始化線程的時候，每個線程都是有一個?？臻g的，這個?？臻g不僅僅保存一下參數(shù)變量，還在棧地址的首地址處保存了線程執(zhí)行需要的現(xiàn)場。而且每個線程都有一個獨立的棧內(nèi)存，這個內(nèi)存就是在棧的入口處。

當線程發(fā)生切換的時候，需要取出這些寄存器

.globl rt_thread_switch_interrupt_flag
.globl rt_interrupt_from_thread
.globl rt_interrupt_to_thread
.globl rt_hw_context_switch_interrupt
rt_hw_context_switch_interrupt:
#ifdef RT_USING_SMP
   /* r0 :svc_mod context
    * r1 :addr of from_thread's sp
    * r2 :addr of to_thread's sp
    * r3 :to_thread's tcb
    */

   str     r0, [r1]

   ldr     sp, [r2]
   mov     r0, r3
   bl      rt_cpus_lock_status_restore

   b       rt_hw_context_switch_exit

執(zhí)行到rt_hw_context_switch_exit函數(shù)

.global rt_hw_context_switch_exit
rt_hw_context_switch_exit:

#ifdef RT_USING_SMP
#ifdef RT_USING_SIGNALS
   mov     r0, sp
   cps #Mode_IRQ
   bl      rt_signal_check
   cps #Mode_SVC
   mov     sp, r0
#endif
#endif
#ifdef RT_USING_FPU
/* fpu context */
   ldmfd sp!, {r6}
   vmsr fpexc, r6
   tst  r6, #(1<<30)
   beq 1f
   ldmfd sp!, {r5}
   vmsr fpscr, r5
   vldmia sp!, {d16-d31}
   vldmia sp!, {d0-d15}
1:
#endif

#ifdef RT_USING_LWP
   ldmfd   sp, {r13, r14}^ /* usr_sp, usr_lr */
   add     sp, #8
#endif
   ldmfd   sp!, {r1}
   msr     spsr_cxsf, r1        /* original mode */
   ldmfd   sp!, {r0-r12,lr,pc}^ /* irq return */

該函數(shù)可能看起來有些費勁，我來解釋一下大概的內(nèi)容：

當線程間要從上一個線程切換到下一個線程的時候，首先會將切換之前現(xiàn)場保存起來，也就是將這些寄存器的知保存到內(nèi)存中，然后將sp指向下線程的地址。此時需要恢復下一個需要切換的線程的寄存器。

如果需要理清楚rt-thread的?？臻g的壓棧與入棧，其實最根本的問題就是如何去處理現(xiàn)場狀態(tài)的問題。也就是每個線程都需要有一個獨立的?？臻g，然后這些?？臻g除了保存數(shù)據(jù)，還需要保存寄存器。當進行任務切換的時候，當前線程的寄存器需要保存該線程的棧內(nèi)存中，而下個線程的?？臻g則會從自己的?？臻g的起始地址處恢復。這個就是rt-thread棧運作的實現(xiàn)邏輯。