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。

移植可分为CPU架构移植和BSP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。

RT-Thread 的 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。下表是 CPU 架构移植需要实现的接口和变量。

libcpu移植相关API

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，需要在多个线程或者中断里面使用，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_disbale(void);

void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
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关闭全局中断

在rt_hw_interrupt_disable()函数里需要依次完成的功能是：

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

rt_hw_interrupt_disable		PROC
	EXPORT rt_hw_interrupt_disable		
	MRS r0,PRIMASK
	CPSID I
	BX LR
	ENDP
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r0存储的数据就是函数的返回值。

打开全局中断

rt_hw_interrupt_enable PROC
	EXPORT rt_hw_interrupt_enable 
	MSR PRIMASK,r0
	BX LR
	ENDP
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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()，这个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，这个上下文内容将被作为每个线程第一次执行的初始值。

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);

	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] = oxdeadbeef;
	}
	//将一个参数保存在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 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r12 = 0;
    stack_frame->exception_stack_frame.lr = (unsigned long)texit;
    stack_frame->exception_stack_frame.pc = (unsigned long)tentry;
    stack_frame->exception_stack_frame.psr = 0x01000000L;//设置psr的值为这个，表示默认切换过去是Thumb模式
    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，切换部分并没有差异。

但是为了能适应不同的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；而在中断环境下，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() 的实现并不一样。

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。
中断处理程序里处理完中断事务之后，中断退出之前，检查flag变量，如果变量的值为1，就根据from_thread和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R4-R11寄存器，以及恢复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：

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 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、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回复。所以我们仅仅需要实现一份代码，简化移植的工作。

实现PendSV中断

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

; r0 --> switch from thread stack
; r1 --> switch to thread stack
; psr, pc, lr, r12, r3, r2, r1, r0 are pushed into [from] stack

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
    ; 如果为零就跳转到 pendsv_exit
    LDR     r0, =rt_thread_switch_interrupt_flag
    LDR     r1, [r0]
    CBZ     r1, pendsv_exit         ; pendsv already handled

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

    ; 检查 rt_interrupt_from_thread 变量是否为 0
    ; 如果为 0，就不进行 from 线程的上下文保存
    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]                ; 更新线程的控制块的 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
	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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