操作系统内部机制学习

切换线程时需要保存什么

函数需要保存吗？函数在Flash上，不会被破坏，无需保存。
函数执行到了哪里？需要保存吗？需要保存。
全局变量需要保存吗？全局变量在内存上，无需保存。
局部变量需要保存吗？局部变量在栈里，也是在内存里，只要避免栈不会被破坏即可，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CPU寄存器里，另一个线程也需要用到寄存器，所以CPU寄存器要保存。
函数运行到了哪里：也是一个CPU寄存器，名为“PC”。

总结：CPU寄存器需要保存，保存在线程的栈里。

ARM架构

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

对内存只有读、写指令。
对于数据的运算都是在CPU内部实现。
使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计。

在这里插入图片描述

几条汇编指令

读内存指令：LDR，即Load之意。
写内存指令：STR，即Store之意。
加减指令：ADD、SUB
跳转：BL，Branch And Link
入栈指令：PUSH
出栈指令：POP

加载指令LDR：LDR r0,[addrA]，意思是将地址addrA的内容加载到r0里面。
存储指令STR：STR r0,[addr A]，把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（PUSH/POP）

寄存器入栈（PUSH）：PUSH {r3, lr}意思是将寄存器r3和lr写入内存栈。

本质是写内存STR指令，高标号寄存器写入高地址的栈里，低标号寄存器写入低地址的栈里。
lr即r14，写入地址为sp-4的内存，然后sp=sp-4。
r3，写入地址为sp-4的内存，然后sp=sp-4。

寄存器出栈指令（POP）：POP {r3,pc}意思是取出内存栈的数据放入r3和pc中。

本质是读内存LDR指令，高标号寄存器的内容来自高地址的栈，低标号寄存器的内容来自低地址的栈。
读地址为sp的内容存入r3，然后sp=sp+4。
读地址为sp的内容存入pc，然后sp=sp+4。

寄存器别名

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PUSH指令=多次调用STR指令，并且会调整SP的值。

BL A：会记录返回地址，保存在R14里，然后跳转到A执行，执行完后，PC会跳转到R14所指向的地址。

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初始化栈

IPC

引入IPC，主要是为了两项功能：

线程间互斥
休眠-唤醒机制

队列
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队列里有多个消息块，消息块里面可以存储消息（数据），每个消息块大小相同。

队列里有两个链表：Sender List、Receiver List。
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挂起线程也就是将线程从就绪链表中移出。
再将线程挂到队列的等待链表中。
启动定时器。

互斥量如何实现

对于互斥变量a

关中断
汇编指令：原子地修改a

IPC

在这里插入图片描述
消息队列的读取都是使用memcpy()。

邮箱的读取直接赋值即可。
链表、定时器、环形缓冲区（读、写位置）

信号量的缺点：

谁都可以释放信号量
优先级反转

Mutex解决

谁拥有谁释放
优先级继承

一个互斥量可以被同一个线程多次take

信号不是信号量，是一种异步通知机制。
**信号就是线程的软件中断。 **

信号处理流程

信号就是线程的“软件中断”，跟“硬件中断”类似：
要安装信号处理函数，相当于给硬件中断提供处理函数。

/* thread1 安装信号，自定义处理函数 */

rt_signal_install(SIGUSR1, thread1_signal_handler);

/* thread1 要使能信号，相当于使能硬件中断，解除屏蔽 */
rt_signal_unmask(SIGUSR1);

/* 向thread1发出信号，相当于触发硬件中断 */
rt_thread_kill(thread1, SIGUSR1);