Build Your Own RTOS Part2：硬件自动压栈

Build Your Own RTOS 系列文章：

理解M3架构

当前阅读：硬件自动压栈

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延时

信号量

1 “保存现场”

在上一篇中，我们已经讲解了中断发生时，硬件自动进行的操作以及我们需要执行的操作。但我们还没有亲眼见证过硬件的动作，这一次我们将设计一个中断并触发它，看看硬件究竟会做些什么。

1.1 准备工作

由于我们使用CubeMX自动生成文件，代码里已经设定好了时钟树和SysTick。我们进入stm32f1xx_it.c文件寻找一下SysTick_Handler()，然后将其修改成这样：

void SysTick_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 0 */
  __NOP();
  /* USER CODE END SysTick_IRQn 0 */
  //HAL_IncTick();
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 1 */

  /* USER CODE END SysTick_IRQn 1 */
}

__NOP()是一个宏，代表空指令，在这里设置一个断点（Keil中不允许对空行打断点）。然后我们注释掉HAL_IncTick()，先不管HAL库的SysTick逻辑。在主函数里的HAL_Init()函数中，会自动初始化SysTick，所以我们可以直接观察这个中断。

这一次我们同样创建一个函数void set_registers()，它的目的和上次“伪造现场”的目的类似，但是这一次我们不填充R4-R11，而是填充R0-R3。

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__asm void set_registers(void) 
{
  MOV R0, #0X11111111
  MOV R1, #0X22222222
  MOV R2, #0X33333333
  MOV R3, #0X44444444

  BX LR
}

然后我们回到main.c中，在main函数的while(1)循环里调用set_registers()，调试运行等待程序碰到断点。

1.2 观察现象

我们看到图中，SP对应的内存地址的确整齐的排列好了我们伪造的数据。这证明了：

中断的确发生了。
中断发生时，硬件会自动将R0-R3等寄存器压入栈中。

然后我们再看看0x44444444后面都有些什么。

它们分别是（小端序）：

00 0F 00 00：这就是R12的值，只不过在内存里翻过来了。
B9 0A 00 08：这是LR的值(0x08000AB9)，他代表了中断结束后，程序要回到的地址。

图中的0x08000AB8就是while(1)。这说明程序马上要回到循环中。（还记得为什么LR的值和实际地址差1吗？）
58 01 00 08：这是PC的值，也就是被打断点的__NOP()的地址。
00 00 00 61：这是xPSR的值。是状态寄存器在进入中断前的状态。

那么，寄存器窗口的值为什么会与栈中的数据不一样呢？

我们一个个来看：

寄存器中LR(0xFFFFFFF9)：这其实是EXC_RETURN（异常返回码）一旦进入中断，硬件会自动把LR寄存器改成这个特殊值。
寄存器中xPSR(0x6100000F):还记得xPSR的低位代表什么吗？0x0F是十进制的15，代表SysTick Exception，说明目前正在处理SysTick中断。

至此，我们已经通过实验验证了：在触发中断后，硬件会自动将一些寄存器的值压入栈中，且它们的顺序是xPSR -> PC -> LR -> R12 -> R3-R0。这非常重要，推荐记在小本本上。

但于此同时，也引出了第二个问题：虽然我们已经处理好了这些数据，但是中断结束后怎么办？我该如何知道是使用MSP还是PSP？

这就用到了异常返回码。实际上，当异常返回码进入PC后，就会启动中断返回序列。合法的异常返回码只有三个：

0xFFFF FFF1：返回Handler模式
0xFFFF FFF9：返回线程模式，并使用MSP
0xFFFF FFFD：返回线程模式，并使用PSP

主程序在线程模式下，使用哪个栈进入了中断，就会以哪个栈退出中断（以异常返回码标志）。

2 双栈

我们已经知道，RTOS是使用两个栈的，那我们就来模拟一下使用两个栈。

我们需要在main函数里，初始化SysTick前，设置PSP寄存器的值为0x20002000(模拟开辟了一个任务栈)，然后将CONTROL寄存器的Bit[1]置1。同样的，我们在main.c中编写一个函数void create_fake_task()来完成。

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__asm void create_fake_task()
{
  MOV R0, #0x20002000
  MSR PSP, R0
  MOV R0, #2
  MSR CONTROL, R0
  ISB  //指令同步隔离，确保程序生效
  BX LR
}

我们可以非常清楚的看到，LR的值变成了0xFFFFFFFD，符合我们的预期。

3 总结

本期我们承接着上期的内容，完整的看了一遍中断的全流程，对硬件自动做的和软件（我们）需要做的已经有了明确的了解。下期我们将完成一次真正的 “任务切换”