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 {: p0 ]& }2 ^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
   - D2 v( k2 A/ @" H6 V- _/ v+ _3 h
2.     CPSID I ; 关中断
   
3.     ;保存上文
   - H5 h' A4 Y% E" Z9 Q
4.     ;.......................
   
5.     ;切换下文
   
6.     CPSIE I ;开中断
   : o+ R2 U1 ?  C
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
   # k2 o, i- {; a- {
2. NVIC_SYSPRI14 EQU 0xE000ED22 ; 系统优先级寄存器(优先级14).
   : X( y. H# c* e! A9 ?; p: f) _4 |
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
   2 w$ s8 x# A7 Q* E
6. 
   7 J0 T; p5 S( V: ]) c& w+ F# K  R
7. LDR R0, =NVIC_SYSPRI14
   
8. LDR R1, =NVIC_PENDSV_PRI
   - ~8 v' Q4 d2 p0 K! E
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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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
   " o: E! @3 s" W- E' X  P  b/ ]
2.     ORR     LR, LR, #0x04                                   ; Ensure exception return uses process stack

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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
   ) U  ^# \5 ^( |1 M9 e. W
2.    ;PSP清零，作为首次上下文切换的标志
   8 X7 N1 ?; v1 _
3.    MOVS    R0, #0
   
4.    MSR     PSP, R0
   
5.    ;将MSP设为我们为其分配的内存地址
   / R7 K" V& d( S- M" L% H6 p% x
6.    LDR     R0, =OS_CPU_ExceptStkBase
   
7.    LDR     R1, [R0]
   & R/ B! S8 V& }2 n9 l) T
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
   9 f4 o4 e. U: E1 W! v
3.     STM     R0, {R4-R11}
   * G3 S* z# ^4 s: w
4. 
   # F- F1 J' Q+ y* {9 `8 ]" Z& {, X
5.     LDR     R1, =Cur_TCB_Point    ;当前任务的指针
   
6.     LDR     R1, [R1]
   " n% _) D$ L& |! X2 H/ n+ b; x' B) C4 X
7.     STR     R0, [R1]            ; 更新任务堆栈指针

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8 [& \- Y! A! E2 ?4 N; u# X* e* F

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.   
   
5.     LDM     R0, {R4-R11}     ; 弹出R4-R11
   ; M: ]$ N: \3 M1 R8 ~7 T
6.     ADDS    R0, R0, #0x20
   . q2 d  ~7 o1 o2 h4 L' f
7. 
   
8.     MSR     PSP, R0        ;更新PSP

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" N2 a) l. \9 ]4 A( d4 n: u4 h" V

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.
   ! x3 I/ U; L: n; |9 o
2. NVIC_SYSPRI14   EQU     0xE000ED22                              ; System priority register (priority 14).
   % m1 W: r% B( a, _
3. NVIC_PENDSV_PRI EQU           0xFF                              ; PendSV priority value (lowest).
   
4. NVIC_PENDSVSET  EQU     0x10000000                              ; Value to trigger PendSV exception.
   
5. 
   4 l$ G2 U- r/ w( d
6.   RSEG CODE:CODE:NOROOT(2)
   $ S0 `7 R# ~" g5 E0 p0 a
7.   THUMB
   
8. 
   + H8 [8 {8 q: W% Y
9. 
   
10.   EXTERN  g_OS_CPU_ExceptStkBase
    " q8 ]9 U" p: c" n
11.   
    
12.   EXTERN  g_OS_Tcb_CurP
    
13.   EXTERN  g_OS_Tcb_HighRdyP
    6 w6 P1 r9 ~, x$ M) i# D+ P; f
14. 
    - Q2 T# l! {. @  L7 v# V
15.   PUBLIC OSStart_Asm
    
16.   PUBLIC PendSV_Handler
    % B/ p/ Z; S6 o' i+ r  c$ G
17.   PUBLIC OSCtxSw
    + N4 |- h* [3 K) i) P
18. 
    
19. OSCtxSw
    . x$ i* u* k7 B( L
20.     LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL
    ! h' Z% ]9 b% X
21.     LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    1 e4 {0 r! B6 g
22.     STR     R1, [R0]
    
23.     BX      LR                                                ; Enable interrupts at processor level
    5 H9 K7 ~% C: a4 k/ F- ]
24. 
    
25. OSStart_Asm
    8 D1 X! k, ^' B7 n# Y! i0 S
26.     LDR     R0, =NVIC_SYSPRI14                                  ; Set the PendSV exception priority
    
27.     LDR     R1, =NVIC_PENDSV_PRI
    
28.     STRB    R1, [R0]
    
29. 
    
30.     MOVS    R0, #0                                              ; Set the PSP to 0 for initial context switch call
    1 [! E# u9 @' L8 u
31.     MSR     PSP, R0
    ! p4 S/ o4 ]3 ^' ?8 ]6 o/ U
32. 
    
33.     LDR     R0, =g_OS_CPU_ExceptStkBase                           ; Initialize the MSP to the OS_CPU_ExceptStkBase
    
34.     LDR     R1, [R0]
    
35.     MSR     MSP, R1   
    2 I8 M6 S: @+ k  H/ w! Q9 b
36. 
    
37.     LDR     R0, =NVIC_INT_CTRL                                  ; Trigger the PendSV exception (causes context switch)
    8 ~0 w& _6 I+ u. n
38.     LDR     R1, =NVIC_PENDSVSET
    
39.     STR     R1, [R0]
    - _7 }. Y# {2 x* M
40. 
    # ~6 U4 h1 Y( v4 w0 X
41.     CPSIE   I                                                   ; Enable interrupts at processor level
    1 @' E( e& m# d0 F% J( U
42. 
    
43. OSStartHang
    8 B2 |; O5 y) A# k4 b2 T2 e8 l
44.     B       OSStartHang                                         ; Should never get here
    
45.    
    
46.    
      r! C5 P# D" h& G" {' N) `
47. 
    
48. PendSV_Handler
    & C, Z3 L$ ?$ F0 C
49.     CPSID   I                                                   ; Prevent interruption during context switch
    ' u; r, v: G: z/ A8 z% G& M
50.     MRS     R0, PSP                                             ; PSP is process stack pointer
    2 f$ F  [; X* r9 P& c3 e
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
    # }( f9 _4 i/ K- @: a
54.     STM     R0, {R4-R11}
    1 X* e- ~5 {3 p4 m- W- z/ S
55. 
    5 n, b) c$ }% n) x; Z* B  C
56.     LDR     R1, =g_OS_Tcb_CurP                                       ; OSTCBCur->OSTCBStkPtr = SP;
    
57.     LDR     R1, [R1]
    ; A% u3 C+ W. A  n# |
58.     STR     R0, [R1]                                            ; R0 is SP of process being switched out
    7 y. I* a) n6 N+ |% g: W
59. 
    
60.                                                                 ; At this point, entire context of process has been saved
    
61. OS_CPU_PendSVHandler_nosave
    * R9 b2 u' U7 Q4 }2 h  c% m" E
62.     LDR     R0, =g_OS_Tcb_CurP                                       ; OSTCBCur  = OSTCBHighRdy;
    
63.     LDR     R1, =g_OS_Tcb_HighRdyP
    
64.     LDR     R2, [R1]
    
65.     STR     R2, [R0]
    9 i/ Z, o& a/ I
66. 
    ! R) k- u6 _* ~
67.     LDR     R0, [R2]                                       ; R0 is new process SP; SP = OSTCBHighRdy->OSTCBStkPtr;
    
68.   
    ( S/ i# n7 E- E0 P2 ~' ^  c" {
69.     LDM     R0, {R4-R11}                                        ; Restore r4-11 from new process stack
    
70.     ADDS    R0, R0, #0x20
    ) K. M* D4 p* J0 j$ r
71.             
    
72.     MSR     PSP, R0                                             ; Load PSP with new process SP
    ! o  ?/ k1 u" h0 m( }
73.     ORR     LR, LR, #0x04                                       ; Ensure exception return uses process stack
    + Y; y2 u0 H, O" A! p2 R
74.    
    ; `& M1 o# d. m+ Q6 Y4 W! w$ ^' K& q
75.     CPSIE   I
    & r5 P' ?( y: G' O# B# {% y
76.     BX      LR                                                  ; Exception return will restore remaining context
    
77.   
    1 x" ?. w$ G7 O
78.     END

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main.c内容如下：

1. #include "stdio.h"
   5 X$ O. U4 h6 G6 b7 e2 J/ ]
2. #define OS_EXCEPT_STK_SIZE 1024
   2 ]/ [1 B, P! Z* O: W5 `6 \- `! `
3. #define TASK_1_STK_SIZE 1024
   4 y4 j' I  `3 l# ?1 y# A
4. #define TASK_2_STK_SIZE 1024
   
5. 
   6 \0 s8 x' a- B- G8 N( ~( `" l) v
6. typedef unsigned int OS_STK;
   
7. typedef void (*OS_TASK)(void);
   
8. 
   
9. typedef struct OS_TCB
   ! z% e: }" m: z) C# Z
10. {
    
11.   OS_STK *StkAddr;
    & L- f8 Y% l2 R! [+ z. G. C
12. }OS_TCB,*OS_TCBP;
    : |# i. ^9 s! a& c# J) d
13. 
    
14. 
    - X, c1 Z+ m: l* @
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];
    " G" ^* P0 A( J0 k, }" T9 R! E
19. OS_STK *g_OS_CPU_ExceptStkBase;
    
20. 
    
21. static OS_TCB TCB_1;
    ) D) E: |9 l0 [4 s; N
22. static OS_TCB TCB_2;
    4 p6 }; j6 D7 I
23. static OS_STK TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE];
    0 d, V( H7 l. o  {+ D/ M, `. v
24. static OS_STK TASK_2_STK[TASK_2_STK_SIZE];
    
25. 
    3 B' O9 N) X2 b; i) j, Q
26. extern void OSStart_Asm(void);
    0 d6 w9 ~; |- ^
27. extern void OSCtxSw(void);
    
28. 
    & d  j, `# K4 ]! F: x
29. void Task_Switch()
    , x+ m* D" u) Z4 c( h
30. {
    
31.   if(g_OS_Tcb_CurP == &TCB_1)
    9 L5 \0 [5 s! K- o/ G
32.     g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_2;
    3 i( `$ E5 D  Z1 \3 b8 d% G+ j/ Z
33.   else
    
34.     g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;
    
35. 
    ( X( K: `- A- [5 s3 K
36.   OSCtxSw();
    % t% V7 Y  _- J! s$ _/ z
37. }
    ; V. B* K9 ]1 m
38. 
    
39. 
    2 S( n/ u7 K' q: v. C8 e
40. void task_1()
    - ]3 h' s3 G% T. t; Y
41. {
    
42.   printf("Task 1 Running!!!\n");
    
43.   Task_Switch();
    5 x) p9 \/ L/ T4 X0 X- D8 e
44.   printf("Task 1 Running!!!\n");
    . h" b' O/ z4 J* |% h# C9 B+ l, f
45.   Task_Switch();
    
46. }
    
47. 
    3 q1 r0 b+ G" c& s# ]
48. void task_2()
    7 _0 B+ h# `- M4 `% `
49. {
    
50.   
    
51.   printf("Task 2 Running!!!\n");
    
52.   Task_Switch();
    
53.   printf("Task 2 Running!!!\n");
      _7 z3 B; N: Y2 J
54.   Task_Switch();
    
55. }
    
56. 
      m, I. a. c; ^' c
57. void Task_End(void)
    
58. {
    , H8 |+ z. h- X" q
59.   printf("Task End\n");
    
60.   while(1)
    
61.   {}
    
62. }
    
63. 
    ( f( v- e1 q) {: Q2 Y- P; o9 @
64. void Task_Create(OS_TCB *tcb,OS_TASK task,OS_STK *stk)
    
65. {
    3 i9 N. g+ v- H- U! t
66.     OS_STK  *p_stk;
    
67.     p_stk      = stk;
    ' w+ b3 l% U& q3 O8 N
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)
    
73.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x12121212uL;                          // R12
    
74.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x03030303uL;                          // R3
    $ d# t2 \, D/ g" g* O# P' p: P! k8 D
75.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x02020202uL;                          // R2
    % [/ {3 r3 q+ u
76.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x01010101uL;                          // R1
    - |. z$ l# K, l) z3 h( P8 |
77.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x00000000u;                           // R0
    
78.    
    / w; O# j1 x7 x2 `+ z6 C
79.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x11111111uL;                          // R11
    
80.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x10101010uL;                          // R10
    1 j- {' q4 H3 |6 t& E
81.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x09090909uL;                          // R9
    
82.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x08080808uL;                          // R8
    
83.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x07070707uL;                          // R7
    
84.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x06060606uL;                          // R6
    
85.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x05050505uL;                          // R5
    
86.     *(--p_stk) = (OS_STK)0x04040404uL;                          // R4
    3 f  n8 m& @6 u
87.    
    1 d" p/ d, a* S  S- r5 C$ W
88.     tcb->StkAddr=p_stk;
    
89. }
    
90. 
    
91. 
    & z+ u* e) @: \: Y5 U
92. int main()
    
93. {
    4 O" U: c  t/ K% n1 n% L
94.   
    
95.   g_OS_CPU_ExceptStkBase = OS_CPU_ExceptStk + OS_EXCEPT_STK_SIZE - 1;
    
96.   
    : v2 D/ D; ]8 i2 |
97.   Task_Create(&TCB_1,task_1,&TASK_1_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]);
      X. m! b" b5 h! @$ k3 X
98.   Task_Create(&TCB_2,task_2,&TASK_2_STK[TASK_1_STK_SIZE-1]);
    
99.    
    " b5 h/ }8 A/ F* Y2 M
100.   g_OS_Tcb_HighRdyP=&TCB_1;
     
101.   
     
102.   OSStart_Asm();
     ; u5 t; c" n# a
103.   
     ; d- @3 \- m7 N- B& x
104.   return 0;
     
105. }

复制代码

编译下载并调试：

: Z, j6 H9 D6 r8 `+ r9 U' Q; w

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：

3 Z3 C, @! [& S3 I1 v6 _/ ^) t9 t* G

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。