RTOS的基本概念與線程基礎(chǔ)知識(shí)
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1 RTOS概念及線程的引入
本文引用地址：http://yuyingmama.com.cn/article/202210/439154.htm1.1 RTOS的概念
用人來類比單片機(jī)程序和RTOS：
媽媽要一邊給小孩喂飯，一邊加班跟同事交流，怎么辦？
對(duì)于單線條的人，不能分心，不能同時(shí)做事，她只能這樣做：
給小孩喂一口飯
瞄一眼電腦，有信息就去回復(fù)
再回來給小孩喂一口飯
如果小孩吃這口飯?zhí)貜?fù)同事的信息也就慢了，被同事催，你半天都不回復(fù)我?
如果回復(fù)同事的信息要寫一大堆，小孩就餓的大哭起來
對(duì)于眼明手快的人，她可以一心多用，她這樣做：
左手拿勺子，給小孩喂飯
右手敲鍵盤，恢復(fù)同事
兩不耽誤，小孩“以為”媽媽在專心喂飯，同事以為“她在專心聊天”
但是腦子只有一個(gè)啊，雖然說一心多用，但是誰能夠同時(shí)考慮兩件事？
只是她反應(yīng)快，上一秒鐘在考慮夾哪個(gè)菜給小孩，下一秒鐘考慮給同事回復(fù)什么信息
這種做法，在軟件開發(fā)上，就是使用操作系統(tǒng)， 在單片機(jī)里叫做使用RTOS
RTOS的意思是：Real Time Operating System,即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但使用Windows，我們經(jīng)常碰到程序卡死、停頓的現(xiàn)象，日常生活中，這是可以忍受的，但是在電梯系統(tǒng)中，你按住開門鍵時(shí)如果沒有即刻反應(yīng)，即使知識(shí)慢個(gè)一秒鐘，也會(huì)夾住人，在專用的電子設(shè)備中，實(shí)時(shí)性很重要
1.2 程序簡(jiǎn)單示例：
//經(jīng)典單片機(jī)程序
void main()
{
while(1)
{
喂一口飯();
回一條消息();
}
}
//RTOS程序
int a;
喂飯（） 棧A
{
int b=2;
int c;
c = a+b;==>1.b+2,2,c=new val
--------------------------->切換
while(1)
{
喂一口飯();
}
}
回信息（） 棧B
{
int b;
while(1)
{
回一個(gè)消息();
}
}
void main()
{
create_task(喂飯);
create_task(回信息);
start_scheduler();
while(1)
{
sleep();
}
}
1.2 提出問題
什么叫線程？回答這個(gè)問題之前，先想想怎么切換線程？怎么保存線程？
線程是函數(shù)嗎？函數(shù)需要保存嗎？函數(shù)在Flash上，不會(huì)被破壞，無需保存
函數(shù)里用到的全局變量，全局變量需要保存嗎？全局變量在內(nèi)存上，還能保存到哪里去？全局變量無需保存
函數(shù)里用到了局部變量，局部變量需要保存嗎？局部變量在棧里面，也是在內(nèi)存里，只要避免棧被破壞即可，局部變量無需保存
運(yùn)算的中間值需要保存嗎？中間值保存在哪里？在CPU寄存器里，另一個(gè)線程也要用到CPU寄存器，所以CPU寄存器需要保存
保存在哪里？保存在線程的棧里面
怎么理解CPU寄存器，怎么理解棧？
2.1 ARM架構(gòu)及匯編
ARM芯片屬于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC:Reduced Instruction Set Computor），它所用的指令比較簡(jiǎn)單，有如下特點(diǎn)：
1、對(duì)內(nèi)存只有讀、寫指令
2、 對(duì)于數(shù)據(jù)的運(yùn)算是在CPU內(nèi)部實(shí)現(xiàn)
3、 使用RISC指令的CPU復(fù)雜度小一點(diǎn)，易于設(shè)計(jì)
對(duì)于比如a= a+b這樣的算式，需要經(jīng)過下面四個(gè)步驟才可以實(shí)現(xiàn)：
細(xì)看這幾個(gè)步驟，有些疑問：
1、讀a,那么a的值讀出來后保存在CPU哪里？
2、讀b，那么b的值都出來之后保存在哪里？
3、a+b的結(jié)果又保存在哪里？
這些問題都涉及到ARM處理器的內(nèi)部，簡(jiǎn)單概括如下，我們先忽略各種CPU模式，用戶模式等。
CPU運(yùn)行時(shí)，先去取指令，再執(zhí)行指令
1）把內(nèi)存a的值讀入CPU寄存器R0
2）把內(nèi)存b的值讀入CPU寄存器R1
3）把R0和R1累計(jì)存入R0
4）把R0的值寫入內(nèi)存a
CPU內(nèi)部寄存器分類
CPU內(nèi)至少應(yīng)該有數(shù)據(jù)緩沖寄存器，棧指針類寄存器、程序指針類寄存器、程序狀態(tài)類寄存器及其他功能寄存器
1、數(shù)據(jù)緩沖寄存器
CPU內(nèi)數(shù)量最多的寄存器是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，名字用寄存器英文Register的首字母加數(shù)字組成，如R0、R1、R2等，不同的CPU其種類不同。
2、棧指針類寄存器
在計(jì)算機(jī)編程中有全局變量和局部變量的概念。從存儲(chǔ)器的角度來看，對(duì)一個(gè)具有獨(dú)立功能的完整程序來說，全局變量具有固定的地址，每次讀寫都是那個(gè)地址。而在一個(gè)子程序中開辟的局部變量則不同，用RAM中的哪個(gè)地址是不確定的，采用“后進(jìn)先出”的原則使用一段RAM區(qū)域，這段區(qū)域被稱為棧區(qū)。它有一個(gè)棧底的地址， 是一開始就確定的，當(dāng)有數(shù)據(jù)進(jìn)?；蛘叱鰲r(shí)，地址就會(huì)連續(xù)變動(dòng)，不然就放到同一個(gè)存儲(chǔ)地址中了，CPU需要有個(gè)地方保存這個(gè)不斷變化的地址，這就是棧指針（SP）寄存器。
3、程序指針類寄存器
計(jì)算機(jī)的程序存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，CPU中有個(gè)寄存器指示將要執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的位置，這就是程序指針類寄存器。在許多CPU中，它的名字叫做程序計(jì)數(shù)器寄存器（PC），它負(fù)責(zé)告訴CPU將要執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器的什么地方。
4、程序運(yùn)行狀態(tài)類寄存器
CPU在進(jìn)行計(jì)算過程中，會(huì)出現(xiàn)諸如進(jìn)位、借位結(jié)果為0、溢出等情況，CPU內(nèi)需要有個(gè)地方把他們保存下來，以便下一條指令結(jié)合這些情況進(jìn)行處理，這類寄存器就是程序狀態(tài)類寄存器，不同的CPU其名稱不同，有的叫做標(biāo)志寄存器，有的叫做程序狀態(tài)字寄存器。
5、其他功能寄存器
不同的CPU中，除了具有數(shù)據(jù)緩沖，棧指針、程序指針、程序運(yùn)行狀態(tài)寄存器之外、還有表示浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、中斷屏蔽等寄存器。
ARM Cortex-M中的寄存器
ARM Cortex-M處理器的寄存器主要有R0-R15及3個(gè)特殊功能寄存器，如上圖所示，其中R0-R12為通用寄存器，R13為堆棧指針寄存器（SP）、R14是連接寄存器，R15為程序計(jì)數(shù)器（PC），特殊功能寄存器有預(yù)定義的功能，而且必須通過專用的指令來訪問。
幾條匯編指令
需要掌握的匯編指令并不多，只有幾條。
讀內(nèi)存指令：LDR，即Load之意
寫內(nèi)存指令：STR，即Store之意
加減指令：ADD與SUB
跳轉(zhuǎn)：BL，即Branch And Link
出棧指令：POP
入棧指令：PUSH
匯編并不復(fù)雜：
加載/存儲(chǔ)指令
加載指令LDR：LDR r0,[addrA]意思就是將地址addrA的內(nèi)容加載到R0中
存儲(chǔ)指令STR: STR r0,[addrA]意思就是將r0的值存儲(chǔ)到地址addrA上
加法運(yùn)算指令A(yù)DD：ADD r0,r1,r2意思為：r0=r1+r2
減法運(yùn)算指令SUB：SUB r0,r1,r2意思為：r0=r1-r2
寄存器入棧/出棧指令
函數(shù)運(yùn)行的本質(zhì)
如下是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，主函數(shù)里調(diào)用函數(shù)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;
}
其中調(diào)用add_val函數(shù)的匯編代碼如下：
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