RT-Thread 内核移植

内核移植

内核移植就是将RTT内核在不同的芯片架构、不同的板卡上运行起来，能够具备线程管理和调度，内存管理，线程间同步等功能。

移植可分为CPU架构移植和BSP（Board support package，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RTT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，上下文切换等等。

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

  1. rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);关闭全局中断
  2. void rt_hw_interrupt_enbale(rt_base_t level);打开全局中断
  3. rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentery, void *parameter,void *stack_addr, void *texit);线程栈的初始化，内核在线程创建和线程初始化里面会调用这个函数。
  4. void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32_t to);没有来源线程的上下文切换，在调度器启动第一个线程的时候会调用，以及在signal里面会调用。
  5. void rt_hw_context_switch(rt_uint32_t from, rt_uint32_t to);从from线程切换到to线程，用于线程和线程之间的切换。
  6. void rt_hw_context_switch_interrupt(rt_uint32_t from, rt_uint32_t to);从from线程切换到to线程，用于中断里面进行切换的时候使用。
  7. rt_uint32_t rt_thread_switch_interrupt_flag; 表示需要再中断里面进行切换的标志。
  8. rt_uint32_t rt_interrupt_from_thread, rt_interrupt_to_thread;在线程进行上下文切换时，保存from线程和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。它们分别是：

/* 关闭全局中断 */
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);

/* 打开全局中断 */
void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);

下面介绍在Cortex-M架构上实现这两个函数，为了快速开关中断，实现了CPS指令，可以用在此处。

CPSID I ;PRIMASK=1， ; 关中断
CPSIE I ;PRIMASK=0， ; 开中断

关闭全局中断

在rt_hw_interrupt_disable()函数里面需要完成的功能是：

  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_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);
; */
rt_hw_interrupt_disable    PROC      ;PROC 伪指令定义函数
    EXPORT  rt_hw_interrupt_disable  ;EXPORT输出定义的函数，类似于C语言extern
    MRS     r0, PRIMASK              ; 读取 PRIMASK 寄存器的值到 r0 寄存器
    CPSID   I                        ; 关闭全局中断
    BX      LR                       ; 函数返回
    ENDP                             ;ENDP 函数结束

上面代码首先使用MRS指令将PRIMASK寄存器的值保存到r0寄存器里，然后使用CPSID I指令关闭全局中断，最后使用BX指令返回。r0存储的数据就是函数的返回值。
中断可以发生在 “MRS r0, PRIMASK” 指令和 “CPSID I” 之间，这并不会导致全局中断状态的错乱。

打开全局中断

在 rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level) 里，将变量 level 作为需要恢复的状态，覆盖芯片的全局中断状态。

基于 MDK，在 Cortex-M 内核上的实现打开全局中断，如下代码所示：

打开全局中断

;/*
; * void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);
; */
rt_hw_interrupt_enable    PROC      ; PROC 伪指令定义函数
    EXPORT  rt_hw_interrupt_enable  ; EXPORT 输出定义的函数，类似于 C 语言 extern
    MSR     PRIMASK, r0             ; 将 r0 寄存器的值写入到 PRIMASK 寄存器
    BX      LR                      ; 函数返回
    ENDP                            ; ENDP 函数结束

使用MSR指令将r0寄存器的值写入到PRIMASK寄存器，从而恢复之前的中断状态。

实现线程栈初始化

在动态创建线程和初始化线程的时候，会使用内部的线程初始化函数_rt__thread_init()，_rt_thread_init()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，这个上下文内容被作为每个线程第一次执行的初始值。
在这里插入图片描述

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);

    /* 得到上下文的栈帧的指针 */
    stack_frame = (struct stack_frame *)stk;

    /* 把所有寄存器的默认值设置为 0xdeadbeef */
    for (i = 0; i < sizeof(struct stack_frame) / sizeof(rt_uint32_t); i ++)
    {
        ((rt_uint32_t *)stack_frame)[i] = 0xdeadbeef;
    }

    /* 根据 ARM  APCS 调用标准，将第一个参数保存在 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 */
    /* 将 IP(Intra-Procedure-call scratch register.) 设置为 0 */
    stack_frame->exception_stack_frame.r12 = 0;                 /* r12 寄存器 */
    /* 将线程退出函数的地址保存在 lr 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.lr  = (unsigned long)texit;
    /* 将线程入口函数的地址保存在 pc 寄存器 */
    stack_frame->exception_stack_frame.pc  = (unsigned long)tentry;
    /* 设置 psr 的值为 0x01000000L，表示默认切换过去是 Thumb 模式 */
    stack_frame->exception_stack_frame.psr = 0x01000000L;

    /* 返回当前线程的栈地址       */
    return stk;
}

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。

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rt_thread_switch_interrupt_flag变量，如果该变量的值为1，就根据rt_interrupt_from_thread 变量和 rt_interrupt_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。

在这里插入图片描述
硬件在进入PendSV中断之前自动保存了from线程的PSR、PC、LR、R12、R3R0寄存器，然后在PendSV里保存from线程的R11R4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。

在这里插入图片描述
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恢复。所以我们仅仅需要实现一份代码，简化移植的工作。

实现 rt_hw_context_switch_to()

rt_hw_context_switch_to() 只有目标线程，没有来源线程。这个函数里实现切换到指定线程的功能，下图是流程图：

  1. 将参数to保存到rt_interrupt_to_thread变量
  2. 将rt_interrupt_from_thread变量设置为0
  3. 将flag变量设置为1
  4. 设置PendSV异常优先级、触发PendSV中断
  5. 恢复MSP的默认值
  6. 使能全局中断
;/*
; * void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32_t to);
; * r0 --> to
; * this fucntion is used to perform the first thread switch
; */
rt_hw_context_switch_to    PROC
    EXPORT rt_hw_context_switch_to
    ; r0的值是一个指针，该指针指向to线程的线程控制块的SP成员
    ; 将r0寄存器的值保存到rt_interrupt_to_thread变量里
    LDR     r1, =rt_interrupt_to_thread
    STR     r0, [r1]

    ; 设置from线程为空，表示不需要保存from的上下文
    LDR     r1, =rt_interrupt_from_thread
    MOV     r0, #0x0
    STR     r0, [r1]

    ; 设置标志为1，表示需要切换，这个变量会在PendSV异常处理函数里切换的时候被清零
    LDR     r1, =rt_thread_switch_interrupt_flag
    MOV     r0, #1
    STR     r0, [r1]

    ; 设置PendSV异常优先级为最低优先级
    LDR     r0, =NVIC_SYSPRI2
    LDR     r1, =NVIC_PENDSV_PRI
    LDR.W   r2, [r0,#0x00]       ; read
    ORR     r1,r1,r2             ; modify
    STR     r1, [r0]             ; write-back

    ; 触发PendSV异常（执行PendSV异常处理程序）
    LDR     r0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR     r1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     r1, [r0]

    ; 放弃芯片启动到第一次上下文切换之前的栈内容，将 MSP 设置启动时的值
    LDR     r0, =SCB_VTOR
    LDR     r0, [r0]
    LDR     r0, [r0]
    MSR     msp, r0

    ; 使能全局中断和全局异常，使能之后将进入 PendSV 异常处理函数
    CPSIE   F
    CPSIE   I

    ; 不会执行到这里
    ENDP

实现 rt_hw_context_switch()/ rt_hw_context_switch_interrupt()

函数 rt_hw_context_switch() 和函数 rt_hw_context_switch_interrupt() 都有两个参数，分别是 from 线程和 to 线程。它们实现从 from 线程切换到 to 线程的功能。

在这里插入图片描述

;/*
; * void rt_hw_context_switch(rt_uint32_t from, rt_uint32_t to);
; * r0 --> from
; * r1 --> to
; */
rt_hw_context_switch_interrupt
    EXPORT rt_hw_context_switch_interrupt
rt_hw_context_switch    PROC
    EXPORT rt_hw_context_switch

    ; 检查 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量是否为 1
    ; 如果变量为 1 就跳过更新 from 线程的内容
    LDR     r2, =rt_thread_switch_interrupt_flag
    LDR     r3, [r2]
    CMP     r3, #1
    BEQ     _reswitch
    ; 设置 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量为 1
    MOV     r3, #1
    STR     r3, [r2]

    ; 从参数 r0 里更新 rt_interrupt_from_thread 变量
    LDR     r2, =rt_interrupt_from_thread
    STR     r0, [r2]

_reswitch
    ; 从参数 r1 里更新 rt_interrupt_to_thread 变量
    LDR     r2, =rt_interrupt_to_thread
    STR     r1, [r2]

    ; 触发 PendSV 异常，将进入 PendSV 异常处理函数里完成上下文切换
    LDR     r0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR     r1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     r1, [r0]
    BX      LR

实现PendSV中断

在 Cortex-M3 里，PendSV 中断处理函数是 PendSV_Handler()。在 PendSV_Handler() 里完成线程切换的实际工作。
在这里插入图片描述

实现时钟节拍

有了开关全局中断和上下文切换功能的基础，RTOS 就可以进行线程的创建、运行、调度等功能了。有了时钟节拍支持，RT-Thread 可以实现对相同优先级的线程采用时间片轮转的方式来调度，实现定时器功能，实现 rt_thread_delay() 延时函数等等。

libcpu的移植需要完成的工作，就是确保rt_tick_increase()函数会在时钟节拍的中断里被周期性的调用，调用周期取决于 rtconfig.h 的宏 RT_TICK_PER_SECOND 的值。

BSP移植

相同的CPU架构在实际项目中，不同的板卡上可能使用相同的CPU架构，搭载不同的外设资源，完成不同的产品，所以也需要针对板卡做适配工作。

RTT提供了BSP抽象层来适配常见的板卡。如果希望在一个板卡上使用RTT内核，除了需要有相应的芯片架构的移植，还需要有针对板卡的移植，也就是实现一个基本的BSP。

主要任务是建立让操作系统运行的基本环境，需要完成的工作是：

  1. 初始化CPU内部寄存器，设定RAM工作时序。
  2. 实现时钟驱动及中断控制器驱动，完善中断管理。
  3. 实现串口和GPIO驱动。
  4. 初始化动态内存堆，实现动态堆内存管理。

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