操作系統(tǒng)的哼哈二將---SVC和PENDSV

ARM芯片中對于需要使用到操作系統(tǒng)的情況，SVC和PendSV是兩個很重要的中斷。但是在實(shí)際使用的過程中，不免會產(chǎn)生幾個疑問。一個是這兩個中斷都是屬于由用戶來主動觸發(fā)的中斷，他們有什么區(qū)別？還有一個就是為什么會是使用SVC來提供系統(tǒng)服務(wù)訪問入口，而PendSV則是做上下文切換？帶著這些疑問，開始本篇的講解

SVC（Supervisor Call請求管理調(diào)用）

調(diào)用SVC指令就會觸發(fā)SVC中斷，它的作用乍一看和普通調(diào)用函數(shù)有點(diǎn)像，不同的是它跳轉(zhuǎn)的不是函數(shù)而是SVC中斷handler，因此大家可以把它看成是一個交由用戶控制的中斷源。

它的編寫方法如下圖所示，資料來自與《Armv7-M Architecture Reference Manual》

SVC指令構(gòu)成圖

如下實(shí)例代碼是編號為0的函數(shù)來觸發(fā)Supervisor call

__asm void CallSupervisor( void )
{
  svc 0   
}

那么問題來了，不同的編號觸發(fā)的是同一個SVCall Handler中斷處理函數(shù)，那么我們要怎么知道是哪個編號觸發(fā)的呢？這個知識點(diǎn)就涉及到CortexM內(nèi)核的異常壓棧機(jī)制，具體可以參考公眾號《如何知道程序是運(yùn)行到哪里觸發(fā)的中斷》；

如下圖范例可以看出,這里調(diào)用了一個編碼為10的SVC指令，SVC指令地址為0x8001fa0,地址上的內(nèi)容是0xdf0a。結(jié)合SVC指令構(gòu)成圖可知其二進(jìn)制指令構(gòu)成0xdf+編號，所以這里看到二進(jìn)制的數(shù)據(jù)為0xdf0a，是個編號10的SVC指令。

根據(jù)異常壓棧內(nèi)容可知返回地址為0x8001af2，所以可得SVC指令編號 = 異常壓棧后的返回地址-2。之所以減2是因?yàn)閠humb指令為大小為2 bytes,剛好就是SVC指令的大?。?xdf0a）?？梢钥闯鰣?zhí)行完SVC指令立刻就會執(zhí)行中斷動作

PendSV(Pendable Service Call可掛起的系統(tǒng)調(diào)用)

PendSV其實(shí)和SVC有點(diǎn)像，所以很容易被混淆。其是通過使能中斷控制狀態(tài)寄存器中的PENDSVSET位，來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。一般情況下PendSV的中斷優(yōu)先級都配置比較低，所以可以理解調(diào)用PENDSV后，這個中斷觸發(fā)允許被掛起，等沒有優(yōu)先級更高的中斷需要運(yùn)行的時候，才會觸發(fā)PendSV中斷，就是一個允許延時一會再執(zhí)行的SVC。

/* Interrupt control state register:0xe000ed04
 * Bit 28 PENDSVSET: PendSV Bit
 */
#define NVIC_INT_CTRL_REG( * ( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed04 ) )
#define NVIC_PENDSVSET_BIT( 1UL << 28UL )

#define CallPendSV()
{
portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
}

哼哈二將的職責(zé)

在操作系統(tǒng)中，通常使用SVC指令來請求系統(tǒng)調(diào)用，而PendSV來進(jìn)行線程切換時上下文保存動作。剛開始學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的時候，有點(diǎn)困惑為什么要這樣做功能劃分，這兩個中斷都讓我有點(diǎn)傻傻分不清楚。后來覺得其實(shí)這應(yīng)該也不算是硬性規(guī)定，就是約定俗成這么干，理論上用哪個去申請系統(tǒng)調(diào)用和切換上下文都是可以的。這也不是隨意猜測的，如下可以看幾個例子，在FreeRTOS中第一個任務(wù)的調(diào)用就是用的SVC，后面就一直是使用PENDSV做上下文切換；而在UCOS和RT-Thread中則是從第一個任務(wù)開始就都是使用的PENDSV。

下圖為FreeRTOS調(diào)度器首次運(yùn)行時是使用SVC指令

下圖示UCOS調(diào)度器首次運(yùn)行時是使用PENDSV

下圖示RT_Thread調(diào)度器首次運(yùn)行時是使用PENDSV

那為什么CortexM要出這個SVC和PENDSV這兩個由用戶用來觸發(fā)中斷的指令，用來輔助操作系統(tǒng)呢？眾所周知，CortexM內(nèi)核有多重模式的，主要分為特權(quán)模式和非特權(quán)模式。默認(rèn)情況下我們是處于特權(quán)模式，所以各位工程師可以愉快的修改各種內(nèi)核寄存器，配置、開關(guān)中斷?？梢栽O(shè)想一下，如果用戶代碼可以肆意的開關(guān)中斷，那對于操作系統(tǒng)就存在失控的隱患。因此出于運(yùn)行安全上的考慮，操作系統(tǒng)是希望用戶運(yùn)行其代碼的時候是處于非特權(quán)模式，僅有操作系統(tǒng)來接管內(nèi)核寄存器的控制。而中斷觸發(fā)后會將非特權(quán)模式切換為特權(quán)模式，現(xiàn)在就清楚了SVC和PENDSV指令的作用就是提供讓非特權(quán)模式下的用戶層代碼可以進(jìn)入特權(quán)模式的接口，將權(quán)限交給操作系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核以及寄存器的操作。完成操作后切換回非特權(quán)模式并返回用戶層代碼繼續(xù)運(yùn)行。