RT-Thread 内核移植（学习）

内核移植

内核移植就是指将RT-Thread内核在不同的芯片架构、不同的板卡上运行起来，能够具备线程管理和调度，内存管理，线程间同步和通信、定时器管理等功能。

移植可分为CPU架构移植和BSP（Board support package，板级支持包）移植两部分。

CPU架构移植

在嵌入式领域有多种不同CPU架构，例如Cortex-M、ARM920T、MIPS32、RISC-V等等。
为了使RT-Thread能够在不同CPU架构的芯片上运行，RT-Thread提供了一个libcpu抽象层来适配不同的CPU架构。

libcpu层向上对内核提供统一的接口，包括全局中断的开关，线程栈的初始化，上下文切换等。

libcpu抽象层向下提供了一套统一的CPU架构移植接口，这部分接口包含了全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍的配置和中断函数、Cache等等内容。

CPU架构移植需要实现的接口和变量。

• rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void); 关闭全局中断
• void rt_hw_interrupt_enbale(rt_base_t level); 打开全局中断
• rt_uint8_t * rt_hw_stack_init(void *tentry, void *parameter, rt_uint8_t *stack_addr, void *texit);线程栈的初始化，内核在线程创建和线程初始化里面会调用这个函数
• void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32_t to); 没有来源线程的上下文切换，在调度器启动第一个线程的时候调用，以及在signal里面会调用。
• void rt_hw_context_switch(rt_uint32_t from, rt_uint32_t to); 从from线程切换到to线程，用于线程和线程之间的切换
• void rt_hw_context_switch_interrupt(rt_uint32_t from,rt_uint32_t to); 从from线程切换到to线程，用于中断里面进行线程切换的时候使用
• rt_uint32_t rt_thread_switch_interrupt_flag; //表示需要再中断里进行切换的标志
• rt_uint32_t rt_interrupt_from_thread, rt_interrupt_to_thread; //在线程进行上下文切换时候，用来保存 from 和 to 线程

实现全局中断开关

无论内核代码还是用户的代码，都可能存在一些变量，需要在多个线程或中断里面使用，如果没有相应的保护机制，那就可能导致临界区问题。
RT-Thread里为了解决这个问题，提供了一系列的线程间同步和通信机制来解决，但是这些机制都需要用到libcpu里提供的全局中断开关函数。

rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);

void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
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Cortex-M为了快速开关中断，实现了CPS指令，可以用在此处。

CPSID I;PRIMASK=1, ;关中断
CPSIE I;PRIMASK=0, ;开中断
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关闭全局中断

在rt_hw_interrupt_disable()函数里面需要依序完成的功能是：

1. 保存当前的全局中断状态，并把状态作为函数的返回值。
2. 关闭全局中断。

基于MDK，在Cortex-M内核上实现关闭全局中断：

rt_hw_interrupt_disable PROC		;PROC伪指令定义函数
	EXPORT rt_hw_interrupt_disable 	;EXPORT输出定义的函数，类似于C语言extern
	MRS	r0,PRIMASK					;读取PRIMASK寄存器的值到r0寄存器
	CPSID I							;关闭全局中断
	BX LR							;函数返回
	ENDP							;ENDP函数结束
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r0存储的就是函数的返回值。
中断可以发生在 “MRS r0, PRIMASK” 指令和 “CPSID I” 之间，这并不会导致全局中断状态的错乱。

实现线程栈初始化

在动态创建线程和初始化线程的时候，会使用到内部的线程初始化函数_rt_thread_init()
_rt_thread_innit()函数会调用栈初始化函数rt_hw_stack_init()，在栈初始化函数里会手动构造一个上下文内容，这个上下文内容将作为每个线程第一次执行的初始值。

上下文在栈里的排入如图：

在栈里构建上下文

rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry, void *parameter, rt_uint8_t *stack_addr, void *texit)
{
	struct stack_frame *stack_frame;
	rt_uint8_t *stk;
	unsigned long i;

	//对传入的栈指针做对齐处理
	stk = stack_addr + sizeof(rt_uint32_t);
	stk = (rt_uint8_t *)RT_ALIGN_DOWN((rt_uint32_t)stk, 8);
	stk -= sizeof(struct stack_frame);

	//得到上下文的栈帧的指针
	stack_frame = (struct stack_frame *)stk;

	for(i=0; i<sizeof(struct stack_frame)/sizeof(rt_uint32_t); i++)
	{
		((rt_uint32_t *)stack_frame)[i] = 0xdeadbeef;
	}

	//根据ARM APCS调用标准，将第一个参数保存在r0寄存器
	stack_frame->exception_stack_frame.r0 = (unsigned long)parameter;
	/* 将剩下的参数寄存器都设置为 0 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r1  = 0;                 /* r1 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r2  = 0;                 /* r2 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r3  = 0;                 /* r3 寄存器 */
    /* 将 IP(Intra-Procedure-call scratch register.) 设置为 0 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r12 = 0;   
    // 将线程退出函数的地址保存在lr寄存器
    stack_frame->exception_stack_frame.lr = (unsigned long)texit;
    // 将线程入口函数的地址保存在pc寄存器
    stack_frame->exception_stack_frame.pc = (unsigned long)tentry;
    // 设置psr的值为0x01000000L，表示默认切换过去是Thumb模式
    stack_frame->exception_stack_frame.psr =  0x01000000L;

	//返回当前线程的栈地址
	return stk;
}
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实现上下文切换

在不同的CPU架构里，线程之间的上下文切换和中断到线程的上下文切换，上下文的寄存器部分可能是有差异的，也可能是一样的。

在Cortex-M里面上下文切换都是统一使用PendSV异常来完成，切换部分没有差异。

但为了能适应不能的CPU架构，RT-Thread的libcpu抽象层还是需要实现三个线程切换相关的函数。

1. rt_hw_context_switch_to()：没有来源线程，切换到目标线程，在调度器启动第一个线程的时候被调用。
2. rt_hw_context_switch()：在线程环境下，从当前线程切换到目标线程。
3. rt_hw_context_switch_interrupt()：在中断环境下，从当前线程切换到目标线程。

在线程环境下进行切换和在中断环境下进行切换是存在差异的。
线程环境下，如果调用rt_hw_context_switch()函数，那么可以马上进行上下文切换。
在中断环境下，需要等待中断处理函数完成之后才能进行切换。

由于这种差异，在ARM9等平台，rt_hw_context_switch()和rt_hw_context_switch_interrupt()的实现不一样。

在中断处理程序里如果触发了线程的调度，调度函数里会调用rt_hw_context_switch_interrupt()触发上下文切换。

中断处理程序处理完中断事务之后，中断退出之前，检查rt_thread_switch_interrupt_flag变量，如果该变量的值为1，就根据rt_interrupt_from_thread 变量和 rt_interrupt_to_thread 变量，完成线程的上下文切换。

在Cortex-M处理器架构里，基于自动部分压栈和PendSV的特性，上下文切换可以实现地更加简洁。

硬件在进入PendSV中断之前自动保存了from线程的PSR、PC、LR、R12、R3_{R0寄存器，然后PendSV里保存from线程的R11-R4寄存器，以及回复to线程的R4}R11寄存器，最后硬件在退出PendSV中断之后，自动恢复to线程的R0~R3、R12、LR、PC、PSR寄存器。

中断到线程的上下文切换可以用下图表示：

硬件在进入中断之前自动保存了from线程的PSR、PC、LR、R12、R3-R0寄存器，然后触发了PendSV异常。在PendSV异常处理函数里保存from线程的R11-R4寄存器，以及恢复to线程的R11_{R4寄存器，最后硬件在退出PendSV中断之后，自动恢复to线程的R0}R3、R12、PSR、PC、LR寄存器。

显然，在Cortex-M内核里rt_hw_context_switch()和rt_hw_context_switch_interrupt()功能一致，都是在PendSV里完成剩余上下文的保存和恢复。所以我们仅仅需要实现一份代码，简化移植的工作。

实现rt_hw_context_switch_to()

1. 将参数to保存到rt_interrupt_to_thread变量
2. 将rt_interrupt_from_thread变量设置为0
3. 将rt_thread_switch_interrupt_flag变量设置为1
4. 设置PendSV异常优先级，触发PendSV中断
5. 恢复MSP的默认值
6. 使能全局中断
7. 结束

rt_hw_context_switch_to PROC
	EXPORT rt_hw_context_switch_to
	;r0的值是一个指针，该指针指向to线程的线程控制块的SP成员
	;将r0寄存器的值保存到rt_interrupt_to_thread变量里
	LDR r1, =rt_interrupt_to_thread
	STR r0,[r1]

	;设置from线程为空，表示不需要保存from的上下文
	LDR r1, =rt_interrupt_from_thread
	MOV r0, #0x0
	str r0,[r1]

	;设置标志为1，这个变量将在PendSV异常处理函数里切换的时候被清零
	LDR r1, =rt_thread_switch_interrupt_flag
	M0V r0, #1
	STR r0, [r1]

	;设置PendSV异常优先级为最低优先级
	LDR r0, =NVIC_SYSPRI2
	LDR r1, =NVIC_PENDSV_PRI
	LDR.w r2, [r0,#0x00] ;read
	ORR r1,r1,r2	;modify
	STR r1,[r0]		;write-back

	;触发PendSV异常（将执行PendSV异常处理程序）
	LDR r0,=NVIC_INT_CTRL
	LDR r1,=NVIC_PENDSVSET
	STR r1,[r0]

	; 放弃芯片启动到第一次上下文切换之前的栈内容，将 MSP 设置启动时的值
    LDR     r0, =SCB_VTOR
    LDR     r0, [r0]
    LDR     r0, [r0]
    MSR     msp, r0

	; 使能全局中断和全局异常，使能之后将进入 PendSV 异常处理函数
    CPSIE   F
    CPSIE   I

    ; 不会执行到这里
    ENDP
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实现 rt_hw_context_switch()/ rt_hw_context_switch_interrupt()

函数 rt_hw_context_switch() 和函数 rt_hw_context_switch_interrupt() 都有两个参数，分别是 from 线程和 to 线程。它们实现从 from 线程切换到 to 线程的功能。

实现PendSV中断

在Cortex-M3里，PendSV中断处理函数是PendSV_Handler()。

PendSV_Handler PROC
	EXPORT PendSV_Handler
	
	;关闭全局中断
	MRS r2,PRIMASK
	CPSID I
	
	;检查rt_thread_switch_interrupt_flag变量是否为0
	;如果为0，就跳转到pendsv_exit
	LDR r0, =rt_thread_switch_interrupt_flag
	LDR r1, [r0]
	CBZ r1,pendsv_exit

	;清零 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量
	MOV r1, #0x00
	STR r1, [r0]

	LDR     r0, =rt_interrupt_from_thread
    LDR     r1, [r0]
    CBZ     r1, switch_to_thread

	;保存from线程的上下文
	MRS r1,psp ;获取from线程的栈指针
	STMFD r1!,{r4-r11} ;将r4-r11保存到线程的栈里
	LDR r0,[r0]
	STR r1,[r0] ;更新线程控制块的SP指针

switch_to_thread
    LDR     r1, =rt_interrupt_to_thread
    LDR     r1, [r1]
    LDR     r1, [r1]                ; 获取 to 线程的栈指针

	LDMFD r1!,{r4-r11} ;从to线程的栈里恢复to线程的寄存器值
	MSR psp,r1			;更新r1的值到psp

pendsv_exit
	; 恢复全局中断状态
	MSR PRIMASK,r2

	;修改lr寄存器的bit2，确保进程使用PSP堆栈指针
	ORR lr,lr,#0x04
	;退出中断函数
	BX lr
	ENDP
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实现时钟节拍

有了开关全局中断和上下文切换功能的基础，RTOS就可以进行线程的创建、运行、调度等功能。
有了时钟节拍支持，RT-Thread可以实现对相同优先级的线程采用时间片轮转的方式来调度，实现定时器功能，实现rt_thread_delay()延时函数等等。

libcpu的移植需要完成的工作，就是确保rt_tick_increase()函数会在时钟节拍的中断里被周期性的调用，调用周期取决于rtconfig.h的宏RT_TICK_PER_SECOND的值。

在Cortex-M中，实现SysTick的中断处理函数即可实现时钟节拍功能。

void SysTick_Handler(void)
{
	rt_interrupt_enter();
	rt_tick_increase();
	rt_interrupt_leave();
}
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BSP移植

相同的CPU架构在实际项目中，不同的板卡上可能使用相同的CPU架构，搭载不同的外设资源，完成不同的产品，所以需要针对板卡做适配工作。

RT-Thread提供了BSP抽象层来适配常见的板卡。
如果希望在一个板卡上使用RT-Thread内核，除了需要有相应的芯片架构的移植，还需要有针对板卡的移植，也就是实现一个基本的BSP。

主要任务是建立让操作系统运行的基本环境，需要完成的主要工作是：

1. 初始化CPU内部寄存器，设定RAM工作时序。
2. 实现时钟驱动以及中断控制器驱动，完善中断管理。
3. 实现串口和GPIO驱动。
4. 初始化动态内存堆，实现动态堆内存管理