在Cortex-M上，在中断服务程序（ISR）内切换上下文

Question

我正在尝试使用CodeSourcery GCC工具链为Cortex-M编写一个简单的轮询调度器。我的调度器使用SysTick在时间片到期后触发中断，并在中断服务程序中进行上下文切换。为了保持简单，我只使用主堆栈指针（MSP）来处理所有事务。

我在确定如何在Cortex-M3上加载新上下文方面遇到了困难。根据Cortex-M3技术参考手册（TRM），该过程在进入中断服务程序时将PC、LR和状态寄存器推送到当前堆栈上。

如果我推送剩余的寄存器以保存当前任务的上下文，并从下一个任务的控制块中加载新的SP值，那么我应该如何恢复其余的上下文呢？

根据我所理解的，我需要弹出我推送的寄存器（比如{r4-r11}），当中断服务程序返回时，处理器会自动弹出剩余的寄存器（包括新任务的返回地址（LR）和状态寄存器）。所以我假设我只需要在完成后执行一个“BX”来切换任务？

以下是TRM上的说明：

异常返回会发生在以下指令之一将值0xFFFFFFFX加载到PC时：1）包括加载PC的POP/LDM指令2）将PC作为目标的LDR指令3）带有任意寄存器的BX指令。

我该如何加载EXC_RETURN的值？我是否应该将其推入堆栈（就像这里所说的那样here）？假设我已经通过软件弹出了我推送的寄存器，Cortex如何弹出它保存的寄存器？总体上，我如何恢复任务的上下文？

我尝试阅读TRM和其他ARM参考资料，但它们似乎不够清晰。

- Shrikant Giridhar

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中断服务程序中存储在堆栈上的数据代表了先前上下文的状态，对吗？因此，除了需要保留作为旧上下文状态的其他寄存器外，还需要用新上下文的状态替换它们（包括从最后一次交换出来时的新上下文中的0xFFFf...值），然后从中断返回。 - old_timer

例如，这个图表似乎解释了一切？你不明白什么？ - artless noise

是的，图表很清晰，但我不明白的是：a）什么是硬件弹出机制？它只是弹出最后8个单词并返回包含这些单词的LR吗？我们到底在哪里写EXC_RETURN值？链接似乎只是将其写入堆栈。 - Shrikant Giridhar

@Shrikant Giridhar 我已经发布了关于FreeRTOS如何在Cortex-M7上进行上下文切换的完整描述。 我认为Cortex-M7和Cortex-M3非常相似，除了M7中的浮点单元以及一些额外的速度和外设。 希望这个描述对你有用。 此致敬礼 - K.Mulier

Answer 1

这确实相当复杂。我正在写一本关于在Cortex-M内核上运行的FreeRTOS操作系统的书，其中有一章专门讲述此内容。从阅读您的问题，我认为这一章会对您有所帮助：

- K.Mulier

Answer 2

这里是一段代码片段，完全符合您的需求 - https://github.com/DISTORTEC/distortos/blob/master/source/architecture/ARM/ARMv7-M/ARMv7-M-PendSV_Handler.cpp - 它按照您所描述的方式工作：

• 异常进入自动堆栈某些寄存器，
• 您手动堆栈剩余寄存器，
• 您切换SP，
• 您取消堆栈"剩余"寄存器，
• 异常返回取消堆栈其余寄存器。

- Freddie Chopin

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链接现在为https://github.com/DISTORTEC/distortos/blob/master/source/architecture/ARM/ARMv6-M-ARMv7-M/ARMv6-M-ARMv7-M-PendSV_Handler.cpp。 - Niclas Hedhman

Answer 3

经过一些阅读和在#ARM IRC频道上的帮助后，我能够理解异常返回机制。以下是我的理解。

如CM3 TRM所述，当发生异常时，核心会将寄存器r0-r3、r12以及状态、LR和PC推入当前进程堆栈。因此，在异常进入时，堆栈包含8个字，其中包括LR，其中包含要返回的地址。硬件弹出机制本质上是反转相同的操作，即弹出最后8个字，期间将LR加载到PC以返回到中断函数。

因此，可以通过将堆栈指针移动到适当的位置来简单地切换上下文，使得当前堆栈帧类似于刚被中断的任务的堆栈帧，即包含相同顺序的确切字。

在异常进入并将寄存器保存到堆栈后，LR将加载EXC_RETURN值。该值包含特殊的状态标志以指示返回条件。这也用于指示中断的结束。也就是说，如果ISR需要返回到任务并将堆栈指针从当前(MSP)切换到PSP，则可以使用适当的EXC_VALUE(在TRM中指示)，并简单地执行BX LR以切换状态。

- Shrikant Giridhar