RTOS的基本概念與線程基礎知識

1 RTOS概念及線程的引入

1.1 RTOS的概念

用人來類比單片機程序和RTOS：

媽媽要一邊給小孩喂飯，一邊加班跟同事交流，怎么辦？

對于單線條的人，不能分心，不能同時做事，她只能這樣做：

1. 給小孩喂一口飯

2. 瞄一眼電腦，有信息就去回復

3. 再回來給小孩喂一口飯

4. 如果小孩吃這口飯?zhí)?，他回復同事的信息也就慢了，被同事催，你半天都不回復?

5. 如果回復同事的信息要寫一大堆，小孩就餓的大哭起來

對于眼明手快的人，她可以一心多用，她這樣做：

1. 左手拿勺子，給小孩喂飯

2. 右手敲鍵盤，恢復同事

3. 兩不耽誤，小孩“以為”媽媽在專心喂飯，同事以為“她在專心聊天”

4. 但是腦子只有一個啊，雖然說一心多用，但是誰能夠同時考慮兩件事？

5. 只是她反應快，上一秒鐘在考慮夾哪個菜給小孩，下一秒鐘考慮給同事回復什么信息

這種做法，在軟件開發(fā)上，就是使用操作系統(tǒng)， 在單片機里叫做使用RTOS

RTOS的意思是：Real Time Operating System,即實時操作系統(tǒng)，但使用Windows，我們經(jīng)常碰到程序卡死、停頓的現(xiàn)象，日常生活中，這是可以忍受的，但是在電梯系統(tǒng)中，你按住開門鍵時如果沒有即刻反應，即使知識慢個一秒鐘，也會夾住人，在專用的電子設備中，實時性很重要

1.2 程序簡單示例：

//經(jīng)典單片機程序

void main()

{

 

    while(1)

    {

 

        喂一口飯();

        回一條消息();

 

    }

 

 

}

 

//RTOS程序

int a;

喂飯（） 棧A

{

    int b=2;

    int c;

    c = a+b;==>1.b+2,2,c=new val

    --------------------------->切換

    while(1)

    {

        喂一口飯();

    

 

    }

 

 

}

 

回信息（） 棧B

{

    int b;

    while(1)

    {

        回一個消息();

 

 

 

    }

 

}

 

void main()

{

    create_task(喂飯);

    create_task(回信息);

    start_scheduler();

    while(1)

    {

        sleep();

 

    }

 

}

 1.2 提出問題

什么叫線程？回答這個問題之前，先想想怎么切換線程？怎么保存線程？

• 線程是函數(shù)嗎？函數(shù)需要保存嗎？函數(shù)在Flash上，不會被破壞，無需保存

• 函數(shù)里用到的全局變量，全局變量需要保存嗎？全局變量在內(nèi)存上，還能保存到哪里去？全局變量無需保存

• 函數(shù)里用到了局部變量，局部變量需要保存嗎？局部變量在棧里面，也是在內(nèi)存里，只要避免棧被破壞即可，局部變量無需保存

• 運算的中間值需要保存嗎？中間值保存在哪里？在CPU寄存器里，另一個線程也要用到CPU寄存器，所以CPU寄存器需要保存

• 保存在哪里？保存在線程的棧里面

• 怎么理解CPU寄存器，怎么理解棧？

2.1 ARM架構及匯編

ARM芯片屬于精簡指令集計算機（RISC:Reduced Instruction Set Computor），它所用的指令比較簡單，有如下特點：

1、對內(nèi)存只有讀、寫指令

2、 對于數(shù)據(jù)的運算是在CPU內(nèi)部實現(xiàn)

3、 使用RISC指令的CPU復雜度小一點，易于設計

對于比如a= a+b這樣的算式，需要經(jīng)過下面四個步驟才可以實現(xiàn)：

細看這幾個步驟，有些疑問：

1、讀a,那么a的值讀出來后保存在CPU哪里？

2、讀b，那么b的值都出來之后保存在哪里？

3、a+b的結果又保存在哪里？

這些問題都涉及到ARM處理器的內(nèi)部，簡單概括如下，我們先忽略各種CPU模式，用戶模式等。 

CPU運行時，先去取指令，再執(zhí)行指令

1）把內(nèi)存a的值讀入CPU寄存器R0

2）把內(nèi)存b的值讀入CPU寄存器R1

3）把R0和R1累計存入R0

4）把R0的值寫入內(nèi)存a

CPU內(nèi)部寄存器分類

CPU內(nèi)至少應該有數(shù)據(jù)緩沖寄存器，棧指針類寄存器、程序指針類寄存器、程序狀態(tài)類寄存器及其他功能寄存器

1、數(shù)據(jù)緩沖寄存器

    CPU內(nèi)數(shù)量最多的寄存器是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，名字用寄存器英文Register的首字母加數(shù)字組成，如R0、R1、R2等，不同的CPU其種類不同。

2、棧指針類寄存器

    在計算機編程中有全局變量和局部變量的概念。從存儲器的角度來看，對一個具有獨立功能的完整程序來說，全局變量具有固定的地址，每次讀寫都是那個地址。而在一個子程序中開辟的局部變量則不同，用RAM中的哪個地址是不確定的，采用“后進先出”的原則使用一段RAM區(qū)域，這段區(qū)域被稱為棧區(qū)。它有一個棧底的地址， 是一開始就確定的，當有數(shù)據(jù)進?；蛘叱鰲r，地址就會連續(xù)變動，不然就放到同一個存儲地址中了，CPU需要有個地方保存這個不斷變化的地址，這就是棧指針（SP）寄存器。

3、程序指針類寄存器

    計算機的程序存儲在存儲器中，CPU中有個寄存器指示將要執(zhí)行的指令在存儲器中的位置，這就是程序指針類寄存器。在許多CPU中，它的名字叫做程序計數(shù)器寄存器（PC），它負責告訴CPU將要執(zhí)行的指令在存儲器的什么地方。

4、程序運行狀態(tài)類寄存器

    CPU在進行計算過程中，會出現(xiàn)諸如進位、借位結果為0、溢出等情況，CPU內(nèi)需要有個地方把他們保存下來，以便下一條指令結合這些情況進行處理，這類寄存器就是程序狀態(tài)類寄存器，不同的CPU其名稱不同，有的叫做標志寄存器，有的叫做程序狀態(tài)字寄存器。

5、其他功能寄存器

    不同的CPU中，除了具有數(shù)據(jù)緩沖，棧指針、程序指針、程序運行狀態(tài)寄存器之外、還有表示浮點數(shù)運算、中斷屏蔽等寄存器。

ARM Cortex-M中的寄存器

ARM Cortex-M處理器的寄存器主要有R0-R15及3個特殊功能寄存器，如上圖所示，其中R0-R12為通用寄存器，R13為堆棧指針寄存器（SP）、R14是連接寄存器，R15為程序計數(shù)器（PC），特殊功能寄存器有預定義的功能，而且必須通過專用的指令來訪問。

幾條匯編指令

需要掌握的匯編指令并不多，只有幾條。

1. 讀內(nèi)存指令：LDR，即Load之意

2. 寫內(nèi)存指令：STR，即Store之意

3. 加減指令：ADD與SUB

4. 跳轉(zhuǎn)：BL，即Branch And Link 

5. 出棧指令：POP

6. 入棧指令：PUSH

匯編并不復雜：

加載/存儲指令

加載指令LDR：LDR r0,[addrA]意思就是將地址addrA的內(nèi)容加載到R0中

存儲指令STR:  STR r0,[addrA]意思就是將r0的值存儲到地址addrA上

加法運算指令ADD：ADD r0,r1,r2意思為：r0=r1+r2

減法運算指令SUB：SUB r0,r1,r2意思為：r0=r1-r2

寄存器入棧/出棧指令

函數(shù)運行的本質(zhì)

如下是一個簡單的程序，主函數(shù)里調(diào)用函數(shù)add_val():

void add_val(int *pa,int *pb)

{

    volatile int tmp;

    

    tmp = *pa;

    tmp = tmp + *pb;

    *pa = tmp;

 

}

 

int main(void)

{

 

    int a =1 ;    

    int b = 2;

    add_val(&a,&b);

 

    return 0;

}

 其中調(diào)用add_val函數(shù)的匯編代碼如下：

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