原理篇03-实现上下文处理关键-异常处理

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一、ARM-Thumb过程调用标准

在 arm 中有个 ATPCS 规则(ARM-THUMB procedure call standard（ARM-Thumb过程调用标准）。约定 R0-R15 寄存器的用途：

R0-R3 传参

调用者和被调用者之间传参数

R0 返回值

R4-R11

函数可能被使用，所以在函数的入口保存它们（寄存器保存到栈中），在函数的出口恢复它们（栈中数据还原到寄存器）。

R12-临时寄存器

R13-SP

主要功能：指向当前栈顶位置
工作方式：栈操作(push/pop)时动态调整，通常在函数调用时用于保存局部变量、返回地址和寄存器状态
重要性：管理函数调用栈，确保函数正确执行和返回
注意事项：栈溢出是嵌入式系统中常见的问题，正确管理SP至关重要

R14-LR(Link Register)

主要功能：存储函数调用的返回地址
工作方式：当执行函数调用指令时，当前PC值(即下一条指令地址)会被保存到LR
重要性：使函数能够正确返回到调用点继续执行
特殊情况：在嵌套函数调用中，之前的LR值需要保存到栈中以防被覆盖

R15-PC(Program Counter)

主要功能：存储当前执行指令的内存地址
工作方式：CPU执行一条指令后，PC通常会自动递增，指向下一条指令的地址
重要性：控制程序执行流程，是CPU取指令过程的核心
应用场景：程序分支、跳转和函数调用时，PC会被修改以改变执行流程

R16-PSR

三者协同工作示例

在典型的函数调用过程中：

当前PC值(返回地址)存入LR

PC修改为被调用函数的起始地址

SP调整，为局部变量分配空间

函数执行完毕后，SP恢复，PC从LR加载返回地址

1.1 ATPCS 规则

若Cortex-M处理器具有浮点单元，则浮点单元中的寄存器也有类似的需求：

S0 ~ S15 为“调用者保存寄存器”。

S16 ~ S31 、FPSCR为“被调用者保存寄存器”。

1. 参数传递 / 返回值

寄存器被拆分成2部分：调用者保存的寄存器(R0-R3,R12,LR,PSR)、被调用者保存的寄存器(R4-R11)。

比如函数 A 调用函数 B，函数A为调用者，B为被调用者。

规则1.1：R0-R3 是用来传参数给被调用者；

规则1.2：R0 用来返回数据。

2. 寄存器保护

规则2.1：调用函数需要保存 R0-R3、LR、PSR；被调用函数可以肆意修改 R0-R3。

规则2.2：被调用函数入口处保存R4-R11，函数返回前恢复；

3. 双字节对齐

数据地址必须是偶数，确保数据更高效访问。对于异常处理，特别是函数调用时，处理器需要将当前上下文（寄存器值等）保存到栈中，然后恢复上一个函数的上下文。如果栈不是双字节对齐的，这个过程可能会变得复杂，并且会增加异常处理的时间开销。

在使能双字栈对齐功能，且栈指针未对齐到双字边界。栈中会插入空位，强制对齐到双字地址。xPSR 的第 9 位被置1，表明插入一段区域。在异常退出时，可以指示是否需要调整SP的数值。

对于带浮点单元的处理器，栈帧分布和双字对齐情况可以参考下图：

对于M3/M4 处理器，双字对齐特性默认情况如下：

Cortex-M4 处理器中默认使能。

Cortex-M3r2p0 及之后版本默认使能。

Cortex-M3rlp0 和 rlp1 默认禁止。

Cortex-M3r0p0 中不可用。

可以通过配置SCB块种CCR寄存器栈对齐控制位来使能该特性

💡

规则2.1 主要带来如下优点：

允许被调用的函数（callee）自由使用这些寄存器来传递参数和返回值，而不需要在每次函数调用后恢复它们的原始值。这简化了函数的编写；

提高了代码的效率，因为不需要在每次函数调用后都保存和恢复这些寄存器，特别是在嵌入式系统中，这些操作可能会导致额外的时间和空间开销；

通过允许函数自由改变这些寄存器的值，ATPCS 支持更好的函数封装和独立性。

调用者负责保存和恢复它需要保留的值，而被调用者只需关心如何使用传入的参数执行其功能。这样的责任分配有助于减少错误和提高代码的可读性和可维护性。

1.2 示例程序1：基础函数调用和参数传递的示例

1.2.1 反汇编分析

说明1：L14-L17，通过将使用的 r0，r1 寄存器变量保存在栈中。因为变量定义为 volatile 类型，防止编译器优化

说明2：L18-L19，通过r0，r1 寄存器传递参数 &a、&b，规则1.1。

说明3：L21，通过栈来保存局部变量 c

说明4：链接寄存器保存返回的指令地址，在函数调用结束，跳转到PC执行

1.2.2 函数调用示意图（寄存器和栈）

程序运行过程：取指令 -> 从栈中读数据 -> 计算 -> 向栈中写数据

1.3 示例程序2：故意使用额外R4寄存器

反汇编分析

C函数用于异常处理需要两个处理特殊处理，第一是硬件自动保存调用者保存寄存器，第二是返回值特殊处理。

二、上下文切换关键-异常处理机制

2.1 背景：FreeRTOS 任务初始化和上下文切换流程

FreeRTOS 任务初始化，需利用SVC异常进入处理模式，然后创建进程栈中的栈帧，且触发使用PSP的异常返回。当加载栈帧时，应用任务就会启动。

SVC 异常

SVC 需在 SVC 指令后执行

通过 SVC 可以通过服务编号和OS 服务所需参数获得OS服务，而无需知道OS服务函数地址

调用服务指令 SVC #0x02

如何获取 SVC 指令中的立即数？

根据 LR 寄存器，获取当前使用堆栈
获取 PC-2 地址中存储编号

在OS设计中，需要在不同任务间切换，这一般被称作上下文切换，其通常在PendSV异常处理中执行，该异常可由SysTick异常触发。在上下文切换操作中需要：

将寄存器的当前状态保存到当前栈中

保存当前PSP数值

将PSP设置为下一个任务的上一次SP数值

恢复下一个任务的上一次的数值

利用异常返回切换任务

注意：需修改PendSV中断为最低优先级。

PendSV 异常

周期性的SysTick异常触发Pensv异常，然后完成上下文切换

中断请求发生在 SysTick异常前，为了防止 IRQ 处理被 SysTick打断延迟。有两种解决方案

方案1：检查压栈栈帧中 xPSR 或 NVIC中断活跃状态寄存器，有中断服务时不执行上下文切换
方案2：PendSV 设置为最低优先级，在IRQ处理完成后进行上下文切换

PendSV中执行任务切换流程

A 任务调用 SVC 进行任务切换(例如，等待一些工作完成)。
OS收到请求，准备进行上下文切换，且挂起 PendSV 异常。
当 CPU 退出 SVC 时，会立即进入PendSV 且进行上下文切换。
当 PendSV 完成并返回线程等级时，OS 会执行B任务。
中断产生且进入中断处理。
在运行中断处理程序时，SYSTICK 异常(用于OS节拍)会产生。
OS 执行重要操作，然后挂起 PendSV 异常并准备进行上下文切换。
当 SYSTICK 异常退出时，会返回到中断服务程序。

PendSV用于不存在OS的环境中，拆分处理时间长的中断服务（其他中断服务响应慢）为两部分：

第一部分对时间要求比较高，需要快速执行，且优先级较高。它位于普通的 ISR 内，在 ISR 结束时，设置 PendSV 的挂起状态。
第二部分包括中断服务所需的剩余的处理工作，它位于 PendSV 处理内且具有较低的异常优先级。

2.2 硬件控制寄存器保存和恢复

正常函数调用，寄存器 R0-R3、R12、LR 和 PSR根据约定，调用者会保存。但异常处理（操作系统任务初始化和上下文切换的核心）时如何实现寄存器和栈管理？

中断处理函数本质上也是 C 函数，由于中断和异常异步发生，无法确定其发生位置。程序可能在任何位置被打断，为了能恢复中断发生前现场，需保存被中断任务的寄存器状态，包括程序计数器（PC）、状态寄存器和工作寄存器（如 R0-R3）。这部分在Cortex-M处理器中，由硬件控制保存寄存器 R0-R3、R12、LR、PSR到栈中（MSP/PSP）。

同时C 函数可以用作异常处理，还有一处不同：

与普通的C函数调用不同，返回地址（PC）没有存储在 LR 中，而是存储在返回地址。这样异常处理期间保存的寄存器共有 8 个（增加了一个返回地址）。

总的流程如下：

保存现场（保存所有寄存器）

硬件保存寄存器 R0-R3、R12、LR、PSR到栈中（MSP/PSP）；

C 函数调用规则保证保证 R4 - R11不被破坏（同样入栈）

中断处理

恢复现场

硬件恢复所有的寄存器

⚠️

注意：不同的芯片，不同的架构，在这方面的处理稍有差别：

保存/恢复现场：cortex M3/M4是硬件实现的，cortex A7是软件实现的

CPU 中止当前执行，跳转去执行处理异常的代码：也有差异

cortex M3/M4在向量表上放置的是函数地址
cortex A7在向量表上放置的是跳转指令

2.3 异常返回机制 - `EXC_RETURN`

异常异步发生，怎么确定是从异常中返回，触发恢复现场。异常返回后是使用 MSP 还是 PSP?

通过LR添加特殊值，确定返回后使用栈类型，返回模式，是否使用FPU模式等，防止中断嵌套时直接返回线程堆栈中运行。

软件函数调用， LR=下句指令的地址；

硬件中断调用，恢复现场怎么确定返回地址；

LR 修改为 EXC_RETURN ；
当利用BX、POP指令或存储器加载（LDR或LDM）指令，加载到程序寄存器中时，该数值用于触发异常返回机制。

EXC_RETURN 中的一些位提供异常处理额外信息。EXC_RETURN 各位定义如下表所示：

位	描述	数值
31:28	EXC_RETURN 指示	0xF
27:5	保留全为0	0xEFFFFF (23位全为1)
4	栈帧类型	1 - 浮点单元不可用时总是为 1，在进入异常处理时，会被置为 CONTROL 寄存器的 FPCA
3	返回模式	1（返回线程）或 0（返回处理）
2	返回栈	1（返回线程栈）或 0（返回主栈）
1	保留	0
0	保留	1

EXCRETURN的合法值则如下表所示。

ㅤ	浮点单元在中断前使用（FPCA=1）	浮点单元未在中断前使用（FPCA=0）
返回处理模式	0xFFFFFFE1	0xFFFFFFF1
返回线程模式，返回后使用主栈	0xFFFFFFE9	0xFFFFFFF9
返回线程模式，返回后使用线程栈	0xFFFFFFED	0xFFFFFFFD