RTOS的發(fā)展之Armv7-M

　　ARMv7-M于2006(文件版本=A)問世，最近一次改版是2021(文件版本=E.e)，市場(chǎng)上能搜尋到的產(chǎn)品琳瑯滿目，屬于非常成熟的商品。本文多次引用的Cortex-M4，即屬Armv7E-M的架構(gòu)。

　　以一個(gè)問世十多年、且廣受歡迎的平臺(tái)來說，其設(shè)計(jì)應(yīng)有獨(dú)到之處，本節(jié)將列出幾項(xiàng)值得關(guān)注的特性。

從架構(gòu)談起

　　Cortex-M平臺(tái)在最初設(shè)計(jì)時(shí)，已將Coprocessor納入考慮，且最多可支持16個(gè)協(xié)同處理器。M4內(nèi)置的FPU，就是使用第10,11兩個(gè)位置，透過它，M4可以快速的處理單精度的浮點(diǎn)數(shù)，對(duì)比傳統(tǒng)的軟件方式，效能上有10倍以上的提升。

　　除了FPU外，Armv7E-M架構(gòu)還內(nèi)含了DSP指令集，在SIMD,Saturate,Q-Format等指令的助攻下，使得32 bit Cortex-M4在運(yùn)算能力上，來到了一個(gè)新的高度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的、超過了早期8 bit MCU的水準(zhǔn)。

　　除此之外，ARM在除錯(cuò)的支持上非常齊全，但不在本次的討論范圍。

運(yùn)作模式的探討

　　Cortex-M的內(nèi)核，支持兩種運(yùn)作模式，分別是Thread mode，以及Handler mode，后者是發(fā)生中斷時(shí)，CPU所切換的模式。

　　Thread mode提供兩個(gè)特權(quán)等級(jí)，分別是Privileged及Unprivileged，一般的作法，會(huì)讓OS有特權(quán)，應(yīng)用程序則無，此外，透過CONTROL寄存器，還可選擇使用不同的堆棧指針(MSP or PSP)。

　　看似平常的模式，其實(shí)有下列幾個(gè)亮點(diǎn)：(1)Handler mode的離開方式，跟一般函式相同。(2)CPU進(jìn)出Handler時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)PUSH/POP多個(gè)緩存器。(3)內(nèi)建的異步PendSV例外功能。(4)異步例外支持Active and Pending state。

中斷及例外處理的優(yōu)先權(quán)

　　全系列的Cortex-M都內(nèi)建了NVIC，NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）緊密的整合于核心旁，可支持高達(dá)496個(gè)中斷、并提供256階優(yōu)先權(quán)。

　　NVIC所提供的巢狀中斷服務(wù)，由硬件執(zhí)行ISR的Preemption工作，還加碼Late arrival及Tail chaining機(jī)制。

電源管理指令

　　Cortex-M將電源管理直接指令化，WFI（Wait For Interrupt）及WFE（Wait For Event），可使CPU快速的進(jìn)入睡眠、省電狀態(tài)（Low Power State）。

　　搭配SCR（System Control Register）的多個(gè)旗標(biāo)：SEVONPEND,SLEEPONEXIT,SLEEPDEEP等，還可執(zhí)行進(jìn)階的設(shè)定。

無鎖的同步指令

　　為了解決關(guān)鍵區(qū)段的保護(hù)問題，并避免關(guān)閉中斷造成的損失，Armv7-M的LDREX/STREX，以指令的方式，達(dá)成non-blocking的內(nèi)存同步請(qǐng)求。由硬件協(xié)助確保read-modify-write的正確性。

A fit real time kernel for Cortex-M

　　談了許多RTOS的缺點(diǎn)，又列出了Armv7-M的特色后，我們是否應(yīng)跳出舊的思維，并以創(chuàng)意及創(chuàng)新的觀點(diǎn)，提出新的RTOS軟件作法呢？

作者：科技下午茶啃泥https://www.bilibili.com/read/cv15839248?spm_id_from=333.999.0.0