多任务调度器

标签：r0 函数 sp 任务 lr 寄存器任务调度

任务的状态

运行态：正在占用CPU, 对于单核cpu, 任何时候只有一个正在运行的任务
就绪态：被登记到就绪表的任务，等待占有CPU的任务释放CPU后，可能获得调度
挂起态/等待态：不在上述状态的任务

抢占式调度

一旦就绪态中出现优先级更高的任务，会立即剥夺当前运行的任务，把CPU分配给这个优先级更高的任务；这样CPU总是执行处于就绪条件下优先级最高的任务；

在freeRTOS中，任务的优先级就是任务的唯一编号，所以不能两个任务是同一个优先级；

心跳定时器与延时

OSTimeDly函数通过心跳定时器的节拍来完成延时，功能就是先挂起当前任务，然后设置延时节拍，然后通过任务切换；

在指定的时钟节拍到来后，将当前任务恢复到就绪状态；

关于空闲任务

实现多任务的关键

程序代码
私有堆栈
任务控制块

保存当前任务的SP指针不是C语言能干的事，这个是和CPU硬件体系相关的，所以只能借助于汇编；以ARM为例

ldr r4, =p_OSTCBCur 的作用是把p_OSTCBCur的地址加载到r4; 因为p_OSTCBCur不是汇编能直接处理的符号，加上=取了它的地址就可以给ldr进行操作了；

ldr r5,[r4] 则是对r4的内容作为地址，解引用，给到r5,此时r5就是p_OSTCBCur;

str sp, [r5] 则是把当前的sp指针复制到*p_OSTCBCur, 完成了sp保存到任务控制块中；

再谈函数

这里可以看到，任务是以函数的形式组织的，这和为什么sp指针很重要有关，这里我们来深入探讨这个问题；

首先我们知道，函数很重要，因为不管是多任务还是单任务，我们都离不开函数，它把代码按功能组织成一个又一个块；

有了函数，代码的编写者可以完成自己想要的功能的抽象，以及代码组织的更为高效；

我们可以通过跳转指令完成函数调用，并需要在函数执行结束后返回到原先的位置继续执行；

int funcb()
{
    return 0;    
}

void funca(int num)
{
    int k[10];
    k[0] = funcb();
    k[1] = num;
}
int main()
{
    int a = 5;
    funca(a);
}

在main()中，我们调用了funca，在funca中，我们调用了funcb,看看在微观上(汇编的角度)，需要做哪些事情才能完成；

在深入了解这个问题之前，我们需要学习一下arm架构中的几个重要概念；

在arm架构中，r0-r15寄存器是cpu的通用寄存器；

在函数调用的过程中，r0-r3用于传递函数参数，r4-r12 用于存储临时数据和局部变量；

r13 是 sp, 栈指针寄存器，指向当前栈的顶部，arm架构中，栈是满减栈

r14是lr, 链接寄存器，用于存储函数返回地址，当函数调用子函数时，当前函数的返回地址会被存储在链接寄存器中，

r15是pc, 程序计数器，存储当前正在执行的指令的地址；

上述C代码对应的汇编代码如下：

.func main

main:
@函数入口

mov r0, #5
str r0, [sp, #0]

@调用函数funca
bl funca

@函数返回
mov r0, #0
bx lr

.endfunc

.func funca
funca:
@prologue
sub sp, sp, #40 @分配40字节的栈空间给k
@function body
bl funcb
str r1, [sp, #0] @将funcb的返回值存入k[0]
str r0, [sp, #4] @将参数num 存入k[1]
@epilogue
add sp, sp, #40 
@函数返回
bx lr
.endfunc

.func funcb
funcb:
mov r1, #0
bx lr
.endfunc

.endfunc

从上面的汇编可以看出，为什么sp很重要，对一个函数而言，sp存放着这个函数的局部变量；

对一个任务而言，sp还要存放pc和寄存器组，当发生切换的时候，会从任务堆栈中把这些环境恢复出来；

关于函数调用约定

关于函数的调用有一些约定，以指导编译器的相关设计：

参数的传递方式：参数是通过寄存器，栈还是其他方式传递
寄存器的使用：哪些寄存器用于传递参数，保存临时数据等
返回值的传递：返回值是通过寄存器，栈还是其他方式传递
栈的管理，栈是如何分配，释放和维护的，栈帧的布局等

这些调用约定可以保证，不同模块之间的调用能够正确执行；

在ARM架构中，常见的函数调用约定有以下几种：

ARM标准(AAPCS), 这是ARM架构的标准调用约定，全程ARM Architeture Procedure Call Stantard
ARM 嵌入式ABI, 针对嵌入式的特定调用约定，如ARM EABI

AAPCS主要包括以下几个方面：

寄存器用途规定，见上面的描述
参数传递方式：优先使用寄存器传递，如果参数个数或者size超过了寄存器的容量，剩余的参数会压入栈中；参数的传递顺序是r0, r1,r2, r3, 然后是栈传递
返回值的传递方式：返回值通常放在r0寄存器，如果返回值是结构体或者浮点数，使用额外的寄存器
栈的管理：函数调用时，会在栈上创建一个栈帧(Stack Frame)，用于保存局部变量，函数参数和返回地址信息，栈帧的布局和管理由编译器负责(这里是指如果是用C或者高级语言编程时，这些会由编译器帮用户完成，但如果是自己写汇编，则还是需要自己手动完成)
异常处理