中斷與切換
除了非常低檔的處理器之外，現今的處理器通常有支援中斷功能。
在本文中我們會看到如何利用 ARM 的處理器支援的中斷達成『內文切換』(Context-Switch) 的功能。
本文將以 mini_arm_os 的 03-ContextSwitch-2 為例。
中斷向量
從連結檔 os.ld 當中您可以看到中斷向量被放在程式段 .text 的一開頭，這個段落會被燒到永久儲存體 FLASH 裡面。
檔案： https://github.com/jserv/mini-arm-os/blob/master/03-ContextSwitch-2/os.ld
ENTRY(reset_handler)
MEMORY
{
FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 128K
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 40K
}
SECTIONS
{
.text :
{
KEEP(*(.isr_vector))
*(.text)
*(.text.*)
*(.rodata)
_sromdev = .;
_eromdev = .;
_sidata = .;
} >FLASH
.data : AT(_sidata)
{
_sdata = .;
*(.data)
*(.data*)
_edata = .;
} >RAM
.bss :
{
_sbss = .;
*(.bss)
_ebss = .;
} >RAM
_estack = ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM);
}
該中斷向量內容定義在 startup.c 當中，以下是重要的程式碼片段。
...
void nmi_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler")));
void hardfault_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler")));
void memmanage_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler")));
void busfault_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler")));
void usagefault_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler")));
void svc_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler")));
__attribute((section(".isr_vector")))
uint32_t *isr_vectors[] = {
(uint32_t *) &_estack, /* stack pointer */
(uint32_t *) reset_handler, /* code entry point */
(uint32_t *) nmi_handler, /* NMI handler */
(uint32_t *) hardfault_handler, /* hard fault handler */
(uint32_t *) memmanage_handler, /* mem manage handler */
(uint32_t *) busfault_handler, /* bus fault handler */
(uint32_t *) usagefault_handler, /* usage fault handler */
0,
0,
0,
0,
(uint32_t *) svc_handler, /* svc handler */
};
...
雖然上述程式中有 void svc_handler(void) __attribute((weak, alias("default_handler"))) 這樣的指令，但是應該會被下一段中的組合語言程式給蓋掉。
切換
在本專案裏的內文切換 (Context-Switch) 有兩種，第一種是從 Kernel-to-UserTask 的 activate 函數，第二種是從 UserTask-to-Kernel 的 svc_handler 函數，兩段程式碼都位於 context_switch.S 檔案裡面。
.thumb
.syntax unified
.type svc_handler, %function
.global svc_handler
svc_handler:
/* save user state */
mrs r0, psp
stmdb r0!, {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, lr}
/* load kernel state */
pop {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, ip, lr}
msr psr, ip
bx lr
.global activate
activate:
/* save kernel state */
mrs ip, psr
push {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, ip, lr}
/* switch to process stack */
msr psp, r0
mov r0, #3
msr control, r0
/* load user state */
pop {r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, lr}
/* jump to user task */
bx lr
系統呼叫
在主程式 os.c 的 main 主程式裏總共呼叫了兩次 activate() 函數以進行 kernal to usertask 的切換。
int main(void)
{
/* Initialization of process stack
* r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, lr */
unsigned int usertask_stack[256];
unsigned int *usertask_stack_start = usertask_stack + 256 - 16;
usertask_stack_start[8] = (unsigned int) &usertask;
usart_init();
print_str("OS: Starting...\n");
print_str("OS: Calling the usertask (1st time)\n");
usertask_stack_start = activate(usertask_stack_start);
print_str("OS: Return to the OS mode !\n");
print_str("OS: Calling the usertask (2nd time)\n");
usertask_stack_start = activate(usertask_stack_start);
print_str("OS: Return to the OS mode !\n");
print_str("OS: Going to infinite loop...\n");
while (1)
/* We can't exit, there is nowhere to go */ ;
return 0;
}
然後在 usertask() 函數裡又呼叫了 syscall() 動作以進行 usertask to kernel 的切換。
...
void usertask(void)
{
print_str("usertask: 1st call of usertask!\n");
print_str("usertask: Now, return to kernel mode\n");
syscall();
print_str("usertask: 2nd call of usertask!\n");
print_str("usertask: Now, return to kernel mode\n");
syscall();
while (1)
/* wait */ ;
}
上述的 syscall() 會呼叫 syscall.S 裡面的下列程式段落。
.thumb
.syntax unified
.global syscall
syscall:
svc 0
nop
bx lr
小結
至此我們已經看完 03-ContextSwitch-2 這個案例，該案例展示了從 Kernel-to-UserTask 與 UserTask-to-Kernel 的切換方法。