电子产品世界

1 RTOS概念及线程的引入

1.1 RTOS的概念

用人来类比单片机程序和RTOS：

妈妈要一边给小孩喂饭，一边加班跟同事交流，怎么办？

对于单线条的人，不能分心，不能同时做事，她只能这样做：

1. 给小孩喂一口饭

2. 瞄一眼电脑，有信息就去回复

3. 再回来给小孩喂一口饭

4. 如果小孩吃这口饭太慢，他回复同事的信息也就慢了，被同事催，你半天都不回复我?

5. 如果回复同事的信息要写一大堆，小孩就饿的大哭起来

对于眼明手快的人，她可以一心多用，她这样做：

1. 左手拿勺子，给小孩喂饭

2. 右手敲键盘，恢复同事

3. 两不耽误，小孩“以为”妈妈在专心喂饭，同事以为“她在专心聊天”

4. 但是脑子只有一个啊，虽然说一心多用，但是谁能够同时考虑两件事？

5. 只是她反应快，上一秒钟在考虑夹哪个菜给小孩，下一秒钟考虑给同事回复什么信息

这种做法，在软件开发上，就是使用操作系统， 在单片机里叫做使用RTOS

RTOS的意思是：Real Time Operating System,即实时操作系统，但使用Windows，我们经常碰到程序卡死、停顿的现象，日常生活中，这是可以忍受的，但是在电梯系统中，你按住开门键时如果没有即刻反应，即使知识慢个一秒钟，也会夹住人，在专用的电子设备中，实时性很重要

1.2 程序简单示例：

//经典单片机程序

void main()

{

 

    while(1)

    {

 

        喂一口饭();

        回一条消息();

 

    }

 

 

}

 

//RTOS程序

int a;

喂饭（） 栈A

{

    int b=2;

    int c;

    c = a+b;==>1.b+2,2,c=new val

    --------------------------->切换

    while(1)

    {

        喂一口饭();

    

 

    }

 

 

}

 

回信息（） 栈B

{

    int b;

    while(1)

    {

        回一个消息();

 

 

 

    }

 

}

 

void main()

{

    create_task(喂饭);

    create_task(回信息);

    start_scheduler();

    while(1)

    {

        sleep();

 

    }

 

}

 1.2 提出问题

什么叫线程？回答这个问题之前，先想想怎么切换线程？怎么保存线程？

• 线程是函数吗？函数需要保存吗？函数在Flash上，不会被破坏，无需保存

• 函数里用到的全局变量，全局变量需要保存吗？全局变量在内存上，还能保存到哪里去？全局变量无需保存

• 函数里用到了局部变量，局部变量需要保存吗？局部变量在栈里面，也是在内存里，只要避免栈被破坏即可，局部变量无需保存

• 运算的中间值需要保存吗？中间值保存在哪里？在CPU寄存器里，另一个线程也要用到CPU寄存器，所以CPU寄存器需要保存

• 保存在哪里？保存在线程的栈里面

• 怎么理解CPU寄存器，怎么理解栈？

2.1 ARM架构及汇编

ARM芯片属于精简指令集计算机（RISC:Reduced Instruction Set Computor），它所用的指令比较简单，有如下特点：

1、对内存只有读、写指令

2、 对于数据的运算是在CPU内部实现

3、 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计

对于比如a= a+b这样的算式，需要经过下面四个步骤才可以实现：

细看这几个步骤，有些疑问：

1、读a,那么a的值读出来后保存在CPU哪里？

2、读b，那么b的值都出来之后保存在哪里？

3、a+b的结果又保存在哪里？

这些问题都涉及到ARM处理器的内部，简单概括如下，我们先忽略各种CPU模式，用户模式等。 

CPU运行时，先去取指令，再执行指令

1）把内存a的值读入CPU寄存器R0

2）把内存b的值读入CPU寄存器R1

3）把R0和R1累计存入R0

4）把R0的值写入内存a

CPU内部寄存器分类

CPU内至少应该有数据缓冲寄存器，栈指针类寄存器、程序指针类寄存器、程序状态类寄存器及其他功能寄存器

1、数据缓冲寄存器

    CPU内数量最多的寄存器是数据缓冲寄存器，名字用寄存器英文Register的首字母加数字组成，如R0、R1、R2等，不同的CPU其种类不同。

2、栈指针类寄存器

    在计算机编程中有全局变量和局部变量的概念。从存储器的角度来看，对一个具有独立功能的完整程序来说，全局变量具有固定的地址，每次读写都是那个地址。而在一个子程序中开辟的局部变量则不同，用RAM中的哪个地址是不确定的，采用“后进先出”的原则使用一段RAM区域，这段区域被称为栈区。它有一个栈底的地址， 是一开始就确定的，当有数据进栈或者出栈时，地址就会连续变动，不然就放到同一个存储地址中了，CPU需要有个地方保存这个不断变化的地址，这就是栈指针（SP）寄存器。

3、程序指针类寄存器

    计算机的程序存储在存储器中，CPU中有个寄存器指示将要执行的指令在存储器中的位置，这就是程序指针类寄存器。在许多CPU中，它的名字叫做程序计数器寄存器（PC），它负责告诉CPU将要执行的指令在存储器的什么地方。

4、程序运行状态类寄存器

    CPU在进行计算过程中，会出现诸如进位、借位结果为0、溢出等情况，CPU内需要有个地方把他们保存下来，以便下一条指令结合这些情况进行处理，这类寄存器就是程序状态类寄存器，不同的CPU其名称不同，有的叫做标志寄存器，有的叫做程序状态字寄存器。

5、其他功能寄存器

    不同的CPU中，除了具有数据缓冲，栈指针、程序指针、程序运行状态寄存器之外、还有表示浮点数运算、中断屏蔽等寄存器。

ARM Cortex-M中的寄存器

ARM Cortex-M处理器的寄存器主要有R0-R15及3个特殊功能寄存器，如上图所示，其中R0-R12为通用寄存器，R13为堆栈指针寄存器（SP）、R14是连接寄存器，R15为程序计数器（PC），特殊功能寄存器有预定义的功能，而且必须通过专用的指令来访问。

几条汇编指令

需要掌握的汇编指令并不多，只有几条。

1. 读内存指令：LDR，即Load之意

2. 写内存指令：STR，即Store之意

3. 加减指令：ADD与SUB

4. 跳转：BL，即Branch And Link 

5. 出栈指令：POP

6. 入栈指令：PUSH

汇编并不复杂：

加载/存储指令

加载指令LDR：LDR r0,[addrA]意思就是将地址addrA的内容加载到R0中

存储指令STR:  STR r0,[addrA]意思就是将r0的值存储到地址addrA上

加法运算指令ADD：ADD r0,r1,r2意思为：r0=r1+r2

减法运算指令SUB：SUB r0,r1,r2意思为：r0=r1-r2

寄存器入栈/出栈指令

函数运行的本质

如下是一个简单的程序，主函数里调用函数add_val():

void add_val(int *pa,int *pb)

{

    volatile int tmp;

    

    tmp = *pa;

    tmp = tmp + *pb;

    *pa = tmp;

 

}

 

int main(void)

{

 

    int a =1 ;    

    int b = 2;

    add_val(&a,&b);

 

    return 0;

}

 其中调用add_val函数的汇编代码如下：

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关键词： 嵌入式 RTOS 系统