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：
0 v( e+ |1 B2 I+ f' W1、执行一个系统调用
' T) h) f1 ~# o- w9 ]9 e0 d2、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 ?8 x% |6 u0 G' @8 E
2.     CPSID I ; 关中断
   
3.     ;保存上文
   
4.     ;.......................
   
5.     ;切换下文
   
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
   / p& e  l4 E& ]+ U1 J
2. NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; 系统优先级寄存器(优先级14).
   ( D2 q8 W) a2 |5 g# @. K
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
   # Q! y# a4 g4 b% p
6. 
   - j  \# c% D* p" D  M( j; F6 x7 D
7. LDR R0, =NVIC_SYSPRI14
   5 n9 p4 w# b9 R# B
8. LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI
   
9. STRB R1, [R0] ; 触发PendSV异常
   
10. LDR R0, =NVIC_INT_CTRL
    
11. LDR R1, =NVIC_PENDSVSET
    
12. STR R1, [R0]

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: c* Y, j( j2 T6 I1 J

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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1 {; J7 r  ]* s2 d7 r! i; u* 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
   
2.    ;PSP清零，作为首次上下文切换的标志
   
3.    MOVS    R0, #0
   6 w. v% ]- d3 Z& d! f
4.    MSR     PSP, R0
   
5.    ;将MSP设为我们为其分配的内存地址
   
6.    LDR     R0, =OS_CPU_ExceptStkBase
   
7.    LDR     R1, [R0]
   8 I1 j# f# a: n$ _. ~9 J
8.    MSR     MSP, R1

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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
   
2.     SUBS   R0, R0, #0x20        ;压入R4-R11
   7 v0 C% F* ^- \  ~1 W' M: p
3.     STM     R0, {R4-R11}
   
4. 
   + ?' \/ M# Z$ f! H; X, f+ D
5.     LDR     R1, =Cur_TCB_Point    ;当前任务的指针
   2 D2 m; i3 a& H1 |: v8 U2 [% C* H
6.     LDR     R1, [R1]
   
7.     STR     R0, [R1]            ; 更新任务堆栈指针

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$ `* k3 i) h; u* C/ ^# p

出栈类似，但要注意顺序

1. LDR     R1, =TCB_Point    ;要切换的任务指针
   
2.     LDR     R2, [R1]
   
3.     LDR     R0, [R2]          ; R0为要切换的任务堆栈地址
   
4.   
   % g1 C) [' O, O! H/ b
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).
   
3. NVIC_PENDSV_PRI EQU           0xFF                              ; PendSV priority value (lowest).
   
4. NVIC_PENDSVSET  EQU     0x10000000                              ; Value to trigger PendSV exception.
   
5. 
   
6.   RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)
   
7.   THUMB
   
8. 
   / Y) a& p, M8 i& J! I3 L
9. 
   
10.   EXTERN  g_OS_CPU_ExceptStkBase
    
11.   
    $ A' A# S, S/ K8 m9 [: ~
12.   EXTERN  g_OS_Tcb_CurP
    & `; v. X1 t: ~' C% k+ q
13.   EXTERN  g_OS_Tcb_HighRdyP
    * Z2 Q% {7 o. c+ K
14. 
    
15.   PUBLIC OSStart_Asm
    
16.   PUBLIC PendSV_Handler
    
17.   PUBLIC OSCtxSw
    
18. 
    & E  N0 V# }+ c* H! n8 S, n6 h
19. OSCtxSw
    
20.     LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL
    
21.     LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    
22.     STR     R1, [R0]
    
23.     BX      LR                                                ; Enable interrupts at processor level
    6 A# F: t6 b# V6 w/ V: h4 K; d
24. 
    : @" {- w: P0 ~7 Q( @' {
25. OSStart_Asm
    
26.     LDR     R0, =NVIC_SYSPRI14                                  ; Set the PendSV exception priority
    + |" i& \: A; S- r' S
27.     LDR     R1, =NVIC_PENDSV_PRI
    " G8 E2 b, T& ]9 h0 {# _# z
28.     STRB    R1, [R0]
    
29. 
    
30.     MOVS    R0, #0                                              ; Set the PSP to 0 for initial context switch call
    
31.     MSR     PSP, R0
    : R* `6 P# M8 C, h( T& _, i
32. 
    6 N! T1 v' W! q' m, m% s( a
33.     LDR     R0, =g_OS_CPU_ExceptStkBase                           ; Initialize the MSP to the OS_CPU_ExceptStkBase
    8 X$ `9 M! o) c! @8 U/ X
34.     LDR     R1, [R0]
      {* Q) Q& s- A6 o" w  c' Z
35.     MSR     MSP, R1   
    
36. 
    
37.     LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL                                  ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)
    / M9 N$ J9 \/ @
38.     LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    * S# b: e& S4 ~% G+ `$ H+ H
39.     STR     R1, [R0]
    , ~2 b/ W( m1 E( }' X
40. 
    
41.     CPSIE   I                                                   ; Enable interrupts at processor level
    # S" e6 s2 d+ S9 P4 L# l
42. 
    
43. OSStartHang
    0 H$ |4 _) v1 M, O7 O
44.     B       OSStartHang                                         ; Should never get here
    2 t; u- D6 V0 f$ I0 U( w0 F" _
45.    
    
46.    
    1 Z8 H( m  ^; f$ V% d, B
47. 
    / m0 m- M! I; [% r
48. PendSV_Handler
    3 ?8 E/ K8 @* S8 W& s
49.     CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch
    7 b& C/ d* `' P- j
50.     MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer
    
51.     CBZ     R0, OS_CPU_PendSVHandler_nosave                     ; Skip register save the first time
    
52.    
    8 U# H$ c, o) K# i" x0 \* H) I
53.     SUBS    R0, R0, #0x20                                       ; Save remaining regs r4-11 on process stack
    / ?2 F1 J: t- k
54.     STM     R0, {R4-R11}
    0 \, t; q: C8 B' E- G& g/ v
55. 
    9 l8 s! ^- G- x8 u7 B
56.     LDR     R1, =g_OS_Tcb_CurP                                       ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
    
57.     LDR     R1, [R1]
    ' j! e# E3 I) ?5 I( w3 b  L( F$ R, t
58.     STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out
    
59. 
    2 u$ O. T: }" M, w9 d( \7 |
60.                                                                 ; At this point, entire context of process has been saved
    
61. OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    7 K1 t$ H. n+ Z* V
62.     LDR     R0, =g_OS_Tcb_CurP                                       ; OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;
    
63.     LDR     R1, =g_OS_Tcb_HighRdyP
    ; c% W: ?- \# B! a; f' {
64.     LDR     R2, [R1]
    
65.     STR     R2, [R0]
    * i7 [% r0 N. _  |0 {5 |
66. 
    2 J6 v/ s4 r8 J2 ?  x; j
67.     LDR     R0, [R2]                                       ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
    ; U+ l( z& y# Q
68.   
    - n$ o+ |  R( a- F1 X6 h! Q: Y. F; a$ g
69.     LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4-11 from new process stack
      |* f' u+ Y2 L+ S# S! x
70.     ADDS    R0, R0, #0x20
    
71.             
    ! d* R4 F) l( B" C) ~
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
    9 l1 G' U. c+ Z! L: \
76.     BX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context
    
77.   
    
78.     END

复制代码

+ P3 K2 A- f, \0 y% U+ R

main.c内容如下：

1. #include "stdio.h"
   
2. #define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024
   
3. #define TASK_1_STK_SIZE 1024
   3 y( f& x5 L2 g& H. |0 D% G
4. #define TASK_2_STK_SIZE 1024
   
5. 
   / @- r7 Q: j/ ~! ~& p1 Q8 ]( I
6. typedef unsigned int OS_STK;
   
7. typedef void (*OS_TASK)(void);
   
8. 
   
9. typedef struct OS_TCB
   7 H5 s: S9 M; X, _; N; f
10. {
    
11.   OS_STK *StkAddr;
    # }. S4 h! Q- \, F6 b
12. }OS_TCB,*OS_TCBP;
    * [5 c$ r, |0 @  o
13. 
    
14. 
    5 _4 G: q: g$ ], H( t: Y
15. OS_TCBP g_OS_Tcb_CurP;
    
16. OS_TCBP g_OS_Tcb_HighRdyP;
    * _9 n9 N* ?' g
17. 
    
18. static OS_STK OS_CPU_ExceptStk[OS_EXCEPT_STK_SIZE];
    ) x- r( ]# L/ r- o, }0 U" X
19. OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase;
    : H5 n  G3 X- Q1 Z, i# N3 p" s
20. 
    ! ~& m5 I( t- j
21. static OS_TCB TCB_1;
    
22. static OS_TCB TCB_2;
    
23. static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE];
    8 W3 J+ m- ^, W' h: Z1 j
24. static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE];
    
25. 
    7 H( p# c9 f* b9 D" Z: |0 {9 a
26. extern void OSStart_Asm(void);
    % z' ~5 p! E6 s" K  J. K
27. extern void OSCtxSw(void);
    
28. 
    
29. void Task_Switch()
    3 `# _" Y/ h3 O# J* D
30. {
    
31.   if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1)
    
32.     g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2;
    
33.   else
    0 u: H! R+ ~' ]
34.     g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;
    
35. 
    $ p5 C0 z# B3 I
36.   OSCtxSw();
    % E8 n; O% I$ j& O1 ?& _  y
37. }
    4 d) t; J% I0 W  w- M& Q4 D, u
38. 
    
39. 
    
40. void task_1()
    
41. {
    
42.   printf("Task 1 Running!!!\n");
    " x; C. T4 E" C: q
43.   Task_Switch();
    
44.   printf("Task 1 Running!!!\n");
    
45.   Task_Switch();
    1 n# f! Q0 C, e! _  z
46. }
    ) t4 z( w" E' H5 u: V1 R2 }% n
47. 
    ; r9 o4 u- V. E  |7 K3 r3 c
48. void task_2()
    & S% v9 ]' P" y, k
49. {
    / V) X, X: `6 r7 I
50.   
    % d) v, W! o7 k" K. ^2 z
51.   printf("Task 2 Running!!!\n");
    # Y5 p& j, e; U  \7 o! }
52.   Task_Switch();
    
53.   printf("Task 2 Running!!!\n");
    & Q6 r, ~! |: L3 D1 P  I
54.   Task_Switch();
    " r9 ]4 Y6 a/ r* ]6 R. b% q0 r$ _
55. }
    # b; @9 N! B$ }& f: O' ^4 J
56. 
    2 q7 ~" f9 V2 t2 ]- j* c
57. void Task_End(void)
    
58. {
    
59.   printf("Task End\n");
    - J; `5 j2 n7 f$ Q
60.   while(1)
    % `/ c6 F2 U, t! {2 ?
61.   {}
    
62. }
    
63. 
    6 A( v& M1 P; q0 ?
64. void Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk)
    0 ]# y5 a& S8 [; t, R
65. {
    8 [, S% ?) {: l7 w# C" I
66.     OS_STK  *p_stk;
    9 ~! C/ y0 H6 u# g* c  v
67.     p_stk      = stk;
    
68.     p_stk      = (OS_STK *)((OS_STK)(p_stk) & 0xFFFFFFF8u);
    
69.    
    
70.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x01000000uL;                          //xPSR
    7 D; G! n7 Y# l3 @8 Y- k6 h) i
71.     *(--p_stk) = (OS_STK)task;                                  // Entry Point
    + E- p8 d* j) v* w* z, j2 o3 Q
72.     *(--p_stk) = (OS_STK)Task_End;                                     // R14 (LR)
    ) f4 c# y* r$ E8 s, {- [
73.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL;                          // R12
    
74.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL;                          // R3
    4 V( ]. r) |; d/ [) u3 ]; M
75.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL;                          // R2
    
76.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL;                          // R1
    , k2 U+ n# F% l& q$ ~: U
77.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u;                           // R0
    ! x$ g# `9 E7 U- D
78.    
    0 K- |1 D5 z# n8 q* I+ w
79.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL;                          // R11
    
80.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL;                          // R10
    2 ?0 n+ D) L% c; g( C4 M$ ?
81.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL;                          // R9
    & D* O6 J* s& l' A3 m
82.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL;                          // R8
    ! W. Y1 ?2 o4 g7 ?: w: u% k
83.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL;                          // R7
    , r) @$ G2 ~7 Q6 q) N
84.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL;                          // R6
    
85.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL;                          // R5
    ) H+ {% i3 R) n: M! B9 m
86.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL;                          // R4
    
87.    
    
88.     tcb->StkAddr=p_stk;
    
89. }
    
90. 
    
91. 
    - x7 D. r9 V+ \5 N
92. int main()
    
93. {
    ' q; P* F2 v& x
94.   
    
95.   g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1;
    9 R6 h$ {) t1 C- V' ~4 J" H
96.   
    
97.   Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]);
    * u3 N) U$ U: q0 I" J
98.   Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]);
    
99.    
    
100.   g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;
     % O* J; q0 K( E' D' V- O
101.   
     
102.   OSStart_Asm();
     # p9 h& D, ]: U6 f
103.   
     
104.   return 0;
     
105. }

复制代码

! k' d: E- S% g

编译下载并调试：

: C4 k6 P( R5 p7 g2 O2 b4 W" T1 t' o

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。

/ M" D- ]! b% C# t6 \. A& K

+ `2 `, A* J! ?2 o; v! Y$ q

IO输出如下：

* a/ T1 c- |2 D0 N- y, m: y

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。