一、什么是PendSV

PendSV是可悬起异常，如果我们把它配置最低优先级，那么如果同时有多个异常被触发，它会在其他异常执行完毕后再执行，而且任何异常都可以中断它。更详细的内容在《Cortex-M3 权威指南》里有介绍，下面我摘抄了一段。

---

OS 可以利用它“缓期执行”一个异常——直到其它重要的任务完成后才执行动 作。悬起 PendSV 的方法是：手工往 NVIC的 PendSV悬起寄存器中写 1。悬起后，如果优先级不够 高，则将缓期等待执行。

PendSV的典型使用场合是在上下文切换时（在不同任务之间切换）。例如，一个系统中有两个就绪的任务，上下文切换被触发的场合可以是：
1、执行一个系统调用
2、系统滴答定时器（SYSTICK）中断，（轮转调度中需要）

让我们举个简单的例子来辅助理解。假设有这么一个系统，里面有两个就绪的任务，并且通过SysTick异常启动上下文切换。但若在产生 SysTick 异常时正在响应一个中断，则 SysTick异常会抢占其 ISR。在这种情况下，OS是不能执行上下文切换的，否则将使中断请求被延迟，而且在真实系统中延迟时间还往往不可预知——任何有一丁点实时要求的系统都决不能容忍这 种事。因此，在 CM3 中也是严禁没商量——如果 OS 在某中断活跃时尝试切入线程模式，将触犯用法fault异常。

为解决此问题，早期的 OS 大多会检测当前是否有中断在活跃中，只有在无任何中断需要响应 时，才执行上下文切换（切换期间无法响应中断）。然而，这种方法的弊端在于，它可以把任务切 换动作拖延很久（因为如果抢占了 IRQ，则本次 SysTick在执行后不得作上下文切换，只能等待下 一次SysTick异常），尤其是当某中断源的频率和SysTick异常的频率比较接近时，会发生“共振”， 使上下文切换迟迟不能进行。现在好了，PendSV来完美解决这个问题了。PendSV异常会自动延迟上下文切换的请求，直到 其它的 ISR都完成了处理后才放行。为实现这个机制，需要把 PendSV编程为最低优先级的异常。如果 OS检测到某 IRQ正在活动并且被 SysTick抢占，它将悬起一个 PendSV异常，以便缓期执行 上下文切换。

使用 PendSV 控制上下文切换个中事件的流水账记录如下：

1. 任务 A呼叫 SVC来请求任务切换（例如，等待某些工作完成）

2. OS接收到请求，做好上下文切换的准备，并且悬起一个 PendSV异常。

3. 当 CPU退出 SVC后，它立即进入 PendSV，从而执行上下文切换。

4. 当 PendSV执行完毕后，将返回到任务 B，同时进入线程模式。

5. 发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行

6. 在 ISR执行过程中，发生 SysTick异常，并且抢占了该 ISR。

7. OS执行必要的操作，然后悬起 PendSV异常以作好上下文切换的准备。

8. 当 SysTick退出后，回到先前被抢占的 ISR中，ISR继续执行

9. ISR执行完毕并退出后，PendSV服务例程开始执行，并且在里面执行上下文切换

10. 当 PendSV执行完毕后，回到任务 A，同时系统再次进入线程模式。

---

我们在uCOS的PendSV的处理代码中可以看到：

1. OS_CPU_PendSVHandler
   
2.     CPSID I ; 关中断
   # h; [  G9 L1 T' a
3.     ;保存上文
   " T( Z( Z$ F8 x1 n2 K: ]: L
4.     ;.......................
   
5.     ;切换下文
     O( e+ ^0 q. ?" M4 Q3 n
6.     CPSIE I ;开中断
   
7.     BX LR ;异常返回

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它在异常一开始就关闭了中端，结束时开启中断，中间的代码为临界区代码，即不可被中断的操作。PendSV异常是任务切换的堆栈部分的核心，由他来完成上下文切换。PendSV的操作也很简单，主要有设置优先级和触发异常两部分：

1. NVIC_INT_CTRL EQU 0xE000ED04 ; 中断控制寄存器
   
2. NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; 系统优先级寄存器(优先级14).
   ; y7 A0 s3 V5 L0 C9 f; Y, Q4 j
3. NVIC_PENDSV_PRI EQU 0xFF ; PendSV优先级(最低). NVIC_PENDSVSET EQU 0x10000000 ; PendSV触发值
   
4. 
   
5. ; 设置PendSV的异常中断优先级
   7 Y: z. W% p4 i) F5 C
6. 
   
7. LDR R0, =NVIC_SYSPRI14
   ' G9 A" g  {) {. Z% T( c+ ?7 Z/ G
8. LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI
   0 @; O( u/ a* _
9. STRB R1, [R0] ; 触发PendSV异常
   5 K* V5 K% X0 m5 Z0 T! u
10. LDR R0, =NVIC_INT_CTRL
    
11. LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
    
12. STR R1, [R0]

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二、堆栈操作

Cortex M4有两个堆栈寄存器，主堆栈指针（MSP）与进程堆栈指针（PSP），而且任一时刻只能使用其中的一个。MSP为复位后缺省使用的堆栈指针，异常永远使用MSP，如果手动开启PSP，那么线程使用PSP，否则也使用MSP。怎么开启PSP？

1. MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SP
   
2.     ORR     LR, LR, #0x04                                   ; Ensure exception return uses process stack

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# Q1 D3 i/ X6 [# S( S0 Y" q0 u

很容易就看出来了，置LR的位2为1，那么异常返回后，线程使用PSP。

写OS首先要将内存分配搞明白，单片机内存本来就很小，所以我们当然要斤斤计较一下。在OS运行之前，我们首先要初始化MSP和PSP，

1. EXTERN  OS_CPU_ExceptStkBase
   8 W% O+ `4 u1 F* j
2.    ;PSP清零，作为首次上下文切换的标志
   ( {: I$ X0 M3 f' J+ p
3.    MOVS    R0, #0
   $ b; r0 i4 k" p6 C4 T+ @8 b: b
4.    MSR     PSP, R0
   0 t8 p! H' q6 @7 ?! ?
5.    ;将MSP设为我们为其分配的内存地址
   , s+ p$ j/ w0 b6 N
6.    LDR     R0, =OS_CPU_ExceptStkBase
   6 H0 {! t+ ]+ O5 O; m
7.    LDR     R1, [R0]
   
8.    MSR     MSP, R1

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4 g$ x) t; W" n: e

然后就是PendSV上下文切换中的堆栈操作了，如果不使用FPU，则进入异常自动压栈xPSR，PC，LR，R12，R0-R3，我们还要把R4-R11入栈。如果开启了FPU，自动压栈的寄存器还有S0-S15，还需吧S16-S31压栈。

1. MRS     R0, PSP
   . j5 l0 ?( W! g
2.     SUBS   R0, R0, #0x20        ;压入R4-R11
   
3.     STM     R0, {R4-R11}
   6 N$ [2 }6 a% {' |( w# b" X
4. 
   
5.     LDR     R1, =Cur_TCB_Point    ;当前任务的指针
   - v1 G" V, g& B1 Z
6.     LDR     R1, [R1]
   
7.     STR     R0, [R1]            ; 更新任务堆栈指针

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3 R# t7 \  o" O

出栈类似，但要注意顺序

1. LDR     R1, =TCB_Point    ;要切换的任务指针
   ) p) M0 V) [# W/ V1 D! [3 R0 ^
2.     LDR     R2, [R1]
   8 _' b9 e( C/ l# B3 {+ ]1 |  J2 q
3.     LDR     R0, [R2]          ; R0为要切换的任务堆栈地址
   + [8 l" z5 z, x. ^9 I' l& c
4.   
   
5.     LDM     R0, {R4-R11}     ; 弹出R4-R11
   
6.     ADDS    R0, R0, #0x20
   
7. 
   
8.     MSR     PSP, R0        ;更新PSP

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三、OS实战

新建os_port.asm文件，内容如下：

1. NVIC_INT_CTRL   EQU     0xE000ED04                              ; Interrupt control state register.
   
2. NVIC_SYSPRI14   EQU     0xE000ED22                              ; System priority register (priority 14).
   & A$ G7 b6 Y* U/ ], i
3. NVIC_PENDSV_PRI EQU           0xFF                              ; PendSV priority value (lowest).
   + T0 |# O* d1 X8 ~) T4 ?
4. NVIC_PENDSVSET  EQU     0x10000000                              ; Value to trigger PendSV exception.
   - K4 P  W- L- O- ^; ~3 I% F# Q
5. 
   9 W% U( s& r$ g& A8 z
6.   RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)
   ' ~. {& d$ V/ }9 x
7.   THUMB
   ! v. j* l' z8 m+ M4 l5 M) D
8. 
   
9. 
   + q: j$ W6 a+ p( [
10.   EXTERN  g_OS_CPU_ExceptStkBase
    7 ~& c  c% t6 @+ q( K% N3 \
11.   
    - W  W. A( }7 b8 a
12.   EXTERN  g_OS_Tcb_CurP
    # j: [% f( v* A" r2 T( h
13.   EXTERN  g_OS_Tcb_HighRdyP
    * w6 V% ]; q6 _' E' c! @: @& h
14. 
    
15.   PUBLIC OSStart_Asm
    * w% Y! {0 L5 M3 @
16.   PUBLIC PendSV_Handler
    3 u, |, d; i7 H  G! B
17.   PUBLIC OSCtxSw
    1 A% w0 O9 }% W. ^# b
18. 
    
19. OSCtxSw
    * u& Z8 W5 a2 k7 s0 ]% C
20.     LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL
    # k  a5 R5 B2 s" [
21.     LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    6 O0 B) C+ H9 i
22.     STR     R1, [R0]
    + k" [- K) ]* a9 a/ N
23.     BX      LR                                                ; Enable interrupts at processor level
    
24. 
    
25. OSStart_Asm
    0 o% j3 n; M$ M" }
26.     LDR     R0, =NVIC_SYSPRI14                                  ; Set the PendSV exception priority
    
27.     LDR     R1, =NVIC_PENDSV_PRI
    
28.     STRB    R1, [R0]
    2 T. N( k$ F3 q/ r  {- i6 }8 T
29. 
    ! f  C) G3 Q# N
30.     MOVS    R0, #0                                              ; Set the PSP to 0 for initial context switch call
    
31.     MSR     PSP, R0
    
32. 
    
33.     LDR     R0, =g_OS_CPU_ExceptStkBase                           ; Initialize the MSP to the OS_CPU_ExceptStkBase
    ; L- ?7 J6 G% Q+ p2 {7 q8 N4 W
34.     LDR     R1, [R0]
    
35.     MSR     MSP, R1   
    
36. 
    
37.     LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL                                  ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)
    " K1 `& G& W2 p0 u8 b& z
38.     LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    7 v% ?+ ~) \# B: U( r
39.     STR     R1, [R0]
    
40. 
    : |/ j  E5 P! O/ i" }( v
41.     CPSIE   I                                                   ; Enable interrupts at processor level
    
42. 
    * z/ y/ j+ U0 _, O
43. OSStartHang
    5 k" L5 r' h$ C" E
44.     B       OSStartHang                                         ; Should never get here
    
45.    
    
46.    
    , h# y4 A# L  T8 P* a! T. v1 B. ^
47. 
    
48. PendSV_Handler
    , i& r  V  n" P( y# t% b7 F
49.     CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch
    . c8 Y9 }9 J; W( j' f, ~
50.     MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer
    & M, a5 N$ {1 B  T) n+ j3 G
51.     CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave                     ; Skip register save the first time
    
52.    
    
53.     SUBS    R0, R0, #0x20                                       ; Save remaining regs r4-11 on process stack
    8 R# j/ @# A  e0 O& W: h; _4 d- |
54.     STM     R0, {R4-R11}
    
55. 
    ! _; W3 u# `% a$ @+ s) A
56.     LDR     R1, =g_OS_Tcb_CurP                                       ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
    
57.     LDR     R1, [R1]
    7 J, C( a1 e3 n8 c2 u/ ^' g( \
58.     STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out
    
59. 
    
60.                                                                 ; At this point, entire context of process has been saved
    
61. OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    . r5 r% n- |. P: Z# s. u; N
62.     LDR     R0, =g_OS_Tcb_CurP                                       ; OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;
    
63.     LDR     R1, =g_OS_Tcb_HighRdyP
    
64.     LDR     R2, [R1]
    - t/ K$ {8 {. A9 V& g  r3 f; M
65.     STR     R2, [R0]
    
66. 
    
67.     LDR     R0, [R2]                                       ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
    
68.   
    ! Z+ m, w* z' F
69.     LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4-11 from new process stack
    1 B' q% o# Y" R) @- j! t
70.     ADDS    R0, R0, #0x20
    
71.             
    / p) O$ W* a2 E+ a
72.     MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SP
    
73.     ORR     LR, LR, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stack
    
74.    
    
75.     CPSIE   I
    2 \$ O" }! P2 S
76.     BX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context
    
77.   
    
78.     END

复制代码

main.c内容如下：

1. #include "stdio.h"
   
2. #define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024
   
3. #define TASK_1_STK_SIZE 1024
   : R+ _& g! i# }% w. `
4. #define TASK_2_STK_SIZE 1024
   
5. 
   
6. typedef unsigned int OS_STK;
   
7. typedef void (*OS_TASK)(void);
   ! c9 C6 s0 u* d5 U
8. 
   
9. typedef struct OS_TCB
   
10. {
    
11.   OS_STK *StkAddr;
    4 w" X  g5 r+ z1 s6 X
12. }OS_TCB,*OS_TCBP;
    4 G0 c7 `7 ~1 {& f4 ~9 O) J* I
13. 
    
14. 
    " x8 o# [8 }2 D% h2 i0 o
15. OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP;
    
16. OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP;
    
17. 
    
18. static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE];
    
19. OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase;
    
20. 
    
21. static OS_TCB TCB_1;
    
22. static OS_TCB TCB_2;
    
23. static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE];
    
24. static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE];
    
25. 
    8 S7 ~) T4 W7 ?3 b
26. extern void OSStart_Asm(void);
    
27. extern void OSCtxSw(void);
    
28. 
    . q& r" U8 |8 T
29. void Task_Switch()
    ; h4 a3 G5 c6 f/ j* U6 j) R1 L( Z3 c
30. {
    
31.   if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1)
    
32.     g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2;
    
33.   else
    7 \% @. m- U# K4 U
34.     g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;
    
35. 
    
36.   OSCtxSw();
    7 q7 h: ?& g! V; t+ K! a
37. }
    ' n4 D$ J" }3 w2 y3 B5 D' [; w6 P/ Y
38. 
    ' L# x( p- N4 L& i5 v
39. 
    
40. void task_1()
    
41. {
    
42.   printf("Task 1 Running!!!\n");
    ! o0 R& r. h* h# c2 _: {
43.   Task_Switch();
    
44.   printf("Task 1 Running!!!\n");
    + p% T2 D* t) a% |; g& q
45.   Task_Switch();
    ! x, I8 y$ w: ^( F
46. }
    - ~) |" t& K. g! s* N
47. 
    
48. void task_2()
    / b# l, K5 c4 H  y  s' ?  A
49. {
    
50.   
    . U' F. [: W5 \4 c5 q$ `1 E
51.   printf("Task 2 Running!!!\n");
    * i2 u3 K( M% z+ H9 s
52.   Task_Switch();
    
53.   printf("Task 2 Running!!!\n");
    
54.   Task_Switch();
    * U5 R3 a8 z3 R5 |
55. }
    3 |$ M, E- O% O8 \5 O4 f$ o
56. 
    
57. void Task_End(void)
    5 m- }! X% }+ f" ~, \9 m  b
58. {
    
59.   printf("Task End\n");
    * I" I7 I3 I# {: t* S
60.   while(1)
    3 q0 `4 E+ ?: L. ^8 U2 S
61.   {}
    
62. }
    / i! b7 @' N( {8 ]9 I4 |6 n) D
63. 
    5 _2 ]7 }8 [& C8 e% z( A
64. void Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk)
    
65. {
    
66.     OS_STK  *p_stk;
    * q) }. [( b: _% Q# u
67.     p_stk      = stk;
    , j& s1 M; {/ Y$ d9 O
68.     p_stk      = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u);
    
69.    
    
70.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL;                          //xPSR
    
71.     *(--p_stk) = (OS_STK)task;                                  // Entry Point
    
72.     *(--p_stk) = (OS_STK)Task_End;                                     // R14 (LR)
    0 T1 L8 G6 D  F8 W) ], Q
73.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL;                          // R12
    
74.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL;                          // R3
    
75.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL;                          // R2
    
76.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL;                          // R1
    . U1 A5 G1 O6 O0 e0 i
77.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u;                           // R0
    
78.    
    # B' r  p# v% K- z( P
79.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL;                          // R11
    0 A3 M) O/ b; Y, X* g  y. p
80.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL;                          // R10
    
81.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL;                          // R9
    / g+ F2 l$ ~5 U% U9 g
82.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL;                          // R8
    - j  B# X8 x7 s; e  Y5 @
83.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL;                          // R7
    
84.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL;                          // R6
    
85.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL;                          // R5
    ! {% v% l2 w1 |. [  U5 C+ N  A
86.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL;                          // R4
    
87.    
    
88.     tcb->StkAddr=p_stk;
    
89. }
      x3 u" d6 u2 l: p9 K) @: y
90. 
    
91. 
    2 A) `1 \4 T+ ~& v
92. int main()
    / _, O9 J, _# W) C% J+ X
93. {
    4 Q9 m; d7 I1 d* \, h% t' M
94.   
    
95.   g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1;
    
96.   
    ( `) o4 V8 g% t- `8 j5 z
97.   Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]);
    . p) f/ v6 b4 D) {3 n
98.   Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]);
    
99.    
    ( p: }6 x2 U1 {; r. ?1 N
100.   g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;
     + p" q; f1 J7 `5 x4 ^
101.   
     $ G9 x) N$ f. v$ J
102.   OSStart_Asm();
     & v. `: Z7 ?0 }( d. l6 X9 F+ A
103.   
     4 Y2 \9 b' a$ F$ n3 w
104.   return 0;
     
105. }

复制代码

* Z2 W4 Q" k- S. K* n

编译下载并调试：

6 e! B5 A% M0 f# f  z

5 Y: {0 s' I6 v8 a) O/ E' U

在此处设置断点

此时寄存器的值，可以看到R4-R11正是我们给的值，单步运行几次，可以看到进入了我们的任务task_1或task_2，任务里打印信息，然后调用Task_Switch进行切换，OSCtxSw触发PendSV异常。

IO输出如下：

. f9 D/ [, n9 X/ T$ `0 [* X8 g' u) D4 d

至此我们成功实现了使用PenSV进行两个任务的互相切换。之后，我们使用使用SysTick实现比较完整的多任务切换。

" N+ K- a- x0 B; V0 A