操作系统对于初学者来说是一个很神秘的东西，里面很多原理摸不清楚，导致还没入门就放弃了。
本文就来从底层开始，详细讲述抢占式操作系统（大多数RTOS）的抢占原理。
# t- @; @) O& r+ Q% Z包含：

• 线程基础原理
  
• 线程之间抢占
  
• 中断抢占线程
  ' W2 ]2 K  y5 k, w
• 中断抢占中断
  
  

strongerHuang

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运行多个线程

9 _- m$ \& Y9 W& k

1.单核“单线程”

严格来说，单核处理器一次只能执行一条指令，也就是说只能“单线程”。（当然，多核处理器就不一样）

2 s9 b, `4 Z1 T$ R7 o, Y2 {; T

为了在单核处理器上运行多个线程，我们实际上需要定期在线程之间进行快速切换，以便用户感觉多个线程在并行运行。

比如处理器执行两个线程，处理器实际在两个线程之间来回切换，如下图：

; e1 ^. a" o5 V7 {3 u( |0 k

2.处理器在线程之间切换，它是如何做到的？

我们说的单核处理器是“单线程”的，它有一组寄存器，我们就叫这组寄存器属于一个“线程”。

. `" i8 A, F& x) P

例如，计算两个数字的总和时：

1. 
   
2. //假设我们有两个整数：a和b
   , s, X$ p0 ~. g# S1 `. g
3. int c = a + b ;

复制代码

' J& v; u+ K/ ]* `/ P

实际发生的情况如下所示（当然，它取决于的MCU类型，但总体思路是相同）：

1. 
   
2. # MIPS反汇编：
   , T# f/ u3 @7 z1 L& K- ]' n
3. 
   5 N/ K, S3 F. g7 |4 k; Y, G
4. LW V0, -32744(GP)   # "a" 的值从RAM加载到寄存器V0
   8 Q9 n4 }9 g- t
5. LW V1, -32740(GP)   # 值"b" 从RAM加载到寄存器V1
   - }9 ?  @0 I  B# _- o
6. ADDU V0, V1, V0     # a、b值相加，结果保存到寄存器V0中
   + c9 y- @1 L5 E1 `2 ~* X: @
7. SW V0, -32496(GP)   # 寄存器V0的值存储在RAM中（变量c所在的位置）

复制代码

9 E4 B. r9 X  ^

你会发现上面执行了4个动作，但是抢占式操作系统可以在任何时候抢占另一个线程，包括在这4个动作之间。

6 O. ^8 M* ~$ k9 d: f' w; f  }

假如在这过程中有其他线程抢占了，其他线程同样抢占了当前线程V0、 V1，如果不对V0、 V1进行保存，那么下次回来执行当前线程，结果就会出错。

  B& L' t& i: f" W3 @

所以，针对当前这种问题，我们就需要在切换线程之前，对V0、 V1的数值进行保存，当下次切换到当前线程，再恢复V0、 V1的数值，大致流程如下：

5 W% ]2 u. T8 f. H3 }  e

大概意思就是：当我们需要从一个线程切换到另一个线程时，内核获得控制权，执行必要的内务处理（至少要保存和恢复寄存器值），然后将控制权转移到下一个线程以运行。

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线程的堆栈

2 M7 ]) F' ~8 }, H

上面说的抢占位置，到底在哪里，每个线程保存在哪个寄存器值中？这就是线程的堆栈的内容。

在有MMU的操作系统中，（用户的）线程堆栈可以按需动态增长：线程需要的堆栈空间越多，线程堆栈就越多（如果内核允许）。
/ F1 i7 I, @( i0 N% d但是，我们一般的MCU却没有MMU这个“高端”的东西，所有RAM都静态映射到地址空间。因此，每个线程都会有用于堆栈的RAM空间，如果线程使用的RAM超过堆栈的数量，则会导致内存溢出或细微的错误。（实际上，每个线程的堆栈空间只是一连续数组空间）。
2 b+ j5 u- b0 A因此，当我们决定为每个线程分配多少堆栈时，我们只是估计可能需要多少堆栈，但是具体多少可能不是很清楚。
" Y! l5 e& \3 W/ M+ P& B+ p: g比如，如果这是一个具有多层嵌套调用的GUI线程，则可能需要数个千字节，但如果它是一个流水灯的小线程，则可能几十字节就足够了。
5 g8 S+ f" b8 J, d" }假设我们有三个线程，它们的堆栈消耗如下：

如上面所述，每个线程的寄存器值都保存在线程的堆栈中。线程的寄存器值集称为线程的“上下文”。如下图所示（线程A为在正在执行的“活动线程”）：

! N6 g8 _: j0 w/ K请注意，在正在执行的线程A的上下文没有保存在堆栈中，堆栈指针指向线程A用户数据的顶部，并且当前处理器的寄存器专用于线程A。
当内核决定将控制权切换到线程B时，它将执行以下操作：

• 将所有寄存器值保存到堆栈中（保存到线程A堆栈的顶部）；
• 将堆栈指针切换到线程B的堆栈顶部；
• 从堆栈（从线程B的堆栈顶部）恢复所有寄存器值；
  
  / c) V" E; b7 T. y: @0 H) L( J. m

此时，你会看到：

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中断（ISR）抢占

5 t% [. G7 u+ h4 k

上面在执行过程中，或进行上下文切换时，还可能会涉及到一个非常重要的内容：中断。
MCU通常具有外设：TIM、UART、 SPI、 CAN等，它们随时都能发生重要事件以触发中断。
中断条件是当当前正在执行的线程暂停时，处理器在一段时间内执行其他操作（Handles Interrupt），然后返回。中断可能随时触发，我们应该做好处理的准备。
中断处理程序称为ISR（中断服务程序）：中断可能具有不同的优先级，例如，如果触发了一些低优先级的中断，则当前正在执行的线程将暂停，并且ISR会获得控制权。然后，如果触发了某个高优先级中断，则当前正在执行的ISR将再次暂停，并为该高优先级中断运行一个新的ISR。
$ w" b& ~/ z6 C! V3 z, i$ O/ b这样一来，完成后，控制权将返回到第一个ISR，并且在完成时，也会恢复被中断的线程。
重要的关键代码：在线程活跃过程中，如果有重要的事情“关键的代码”，在这过程中如果中断发生，很容易导致意想不到的结果。
这部分关键的代码，我们需要要保护起来，通常我们的做法就是：在之前“关键代码”之前禁用全局中断，执行完之后，开始全局中断。

有点需要注意：关闭全局中断，此时就不会相应中断，所以，“关键代码”不能太长。

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中断堆栈

在上面说到一点，高优先级中断抢占低优先中断，就会出现一个问题：低优先级的代码需要和线程一样，用于保存数据的堆栈。
" t# l4 a1 A% h  ~% c: D3 J- N# B一般有两种方法：

• 使用被中断的线程堆栈；
• 为中断使用单独的堆栈空间；
  
  - ?3 u; i; y: j- e# |, U

1.使用被中断的线程堆栈如果使用被中断的线程堆栈，就类似如下图：

这种情况存在你一个严重的问题，你知道是什么吗？
频繁中断，或者中断较多，线程自身的堆栈空间就会很快被使用完。
每个线程的堆栈都应该包含以下内容：

• 线程自己的数据；
• 线程的上下文；
• 用于执行最坏情况的ISR的数据。
  
  9 q5 e' l" P/ C$ B9 P0 e+ f8 l$ N

# E7 R1 l3 w+ M) [, I因此，我们就需要换一种方法，为为所有ISR中断开辟单独的堆栈空间。
2.为中断使用单独的堆栈空间

1 M9 V$ n  O9 [9 O( G+ K为中断使用单独的堆栈空间大致如上图所示。
  j; x. P2 D2 f+ [1 P+ K! o) v好了，本文讲述了上面几种关于抢占，以及相关的内容，你学会了几点，又有几点没懂，欢迎留言讨论。