线程定义与线程切换的实现

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1. 什么是线程？

线程就是系统所执行的一个一个独立的且无法返回的最小程序。

我们通常会把系统分割成一个又一个线程来执行。

比如说，一边读取室温，一边在屏幕上显示。把读取室温程序作为一个线程，在屏幕上显示程序作为一个线程，两者以极快的速度来回切换执行，看上去就像是同时执行一样。

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线程对象的主要属性

**线程栈指针：**由于线程会被系统切换来切换去，所以需要一段内存保存线程内部参数
线程栈大小
**函数入口：**线程是运行函数的载体，被切换时函数入口会被放到线程栈中

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2. RT-Thread 内核对线程的管理

线程首先需要被初始化(本次实现是静态初始化)，然后会被挂到就绪列表里。调度器从就绪列表中取出线程执行。

遇到事件发生时，线程会被换下，切换为另一个线程执行。在这个过程中，需要保存线程的现场，即把 ARM Cortex3 的 16 个寄存器的值全部塞到线程栈中。然后加载另一个线程的现场，即把另一个线程的线程栈中保存的寄存器值拿出来给 CPU。

问题：如果第一次执行线程，该如何加载现场？

需要在初始化时设置线程栈，即设置各个寄存器的默认值
硬件会帮助我们完成加载现场，硬件中有专门保存栈指针的寄存器 - PSP，指明 PSP 的数值后，硬件会自动帮助我们提取栈中的值，按照固定次序放到 CPU 寄存器中。还有一部分寄存器需要我们手动装载。

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3. 线程编程

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目标：

实现线程的定义与两个线程间的切换。

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方法：

** ==两个线程初始化后，放入到就绪列表。然后调度器（已经初始化）从就绪列表中取出第一个线程执行，然后第一个线程隔一段时间后就绪，切换到第二个线程执行，第二个线程隔一段时间就绪再去执行第一个线程，如此来回交替。==**

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实验：

在线程1 和 线程 2中各自使标志位置1，退出时置0，观察两个标志位的波形

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3.1 程序架构与文件架构

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源函数文件：

thread.c : 定义线程初始化函数
- cpuport.c : 定义了线程栈操作函数
secheduler.c : 定义调度器操作函数与就绪列表
- rtservice.h : 定义了就绪列表操作函数
context_rvds.s : 汇编，线程栈切换函数

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头文件：

rtdef.h : 各种数据类型以及对象的定义
rtconfig.h : 可能需要用户配置的宏
thread.h : 包含了线程与调度器操作函数的声明
rthw.h : 声明汇编函数（线程切换函数）

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3.2 函数实现

程序的函数主要包括

线程对象定义及初始化¹
1. 线程栈的初始化²
就绪列表定义与操作³
调度器初始化及启动⁴
线程上下文切换⁵

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3.2.1 线程对象定义(rtdef.h 文件中)以及初始化(thread.c)

线程对象的定义

/*	控制块定义	*/
struct rt_thread
{
	void	*sp;								/*	线程栈指针	*/
	void	*entry;							/*	线程入口地址	*/
	void	*parameter;					/*	线程形参	*/
	void	*stack_addr;				/*	线程栈起始地址	*/
	rt_uint32_t	stack_size;		/*	线程栈大小，单位为字节	*/

	rt_list_t tlist; /* 线程链表节点 */
};

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线程对象初始化

主要是线程栈的初始化！！

#include <rtthread.h>

extern rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry,
                            void *parameter,
                            rt_uint8_t *stack_addr);

													
rt_err_t rt_thread_init( struct rt_thread *thread,
                        void (*entry)(void *parameter),
                        void *parameter,
                        void *stack_start,
                        rt_uint32_t stack_size)
{

	rt_list_init(&(thread->tlist));

	thread->entry = (void *)entry;
	thread->parameter = parameter;
	thread->stack_addr = stack_start;
	thread->stack_size = stack_size;

	/* 初始化线程栈，并返回线程栈 栈顶 指针，即低处指针 */
	thread->sp = 
	(void *)rt_hw_stack_init( thread->entry,
														thread->parameter,
	(void *)((char *)thread->stack_addr + thread->stack_size -  4));		//栈是由高到低排列的，所以需要加栈的大小，即栈底指针

	return RT_EOK;
}

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线程栈初始化 ==rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry,void *parameter,rt_uint8_t *stack_addr)==

主要是初始化线程栈，以后第一次调用线程的时候要用。线程栈中保存了入口函数地址，所以 CPU 才可以找到入口函数。

返回值是栈指针 SP

#include <rtthread.h>

 /* 用于存储上一个线程的栈的sp的指针 */
rt_uint32_t rt_interrupt_from_thread;

/* 用于存储下一个将要运行的线程的栈的sp的指针 */
rt_uint32_t rt_interrupt_to_thread;

/* PendSV中断服务函数执行标志 */
rt_uint32_t rt_thread_switch_interrupt_flag;


 struct exception_stack_frame
{
 /* 异常发生时，自动加载到CPU寄存器的内容 */
    rt_uint32_t r0;
    rt_uint32_t r1;
    rt_uint32_t r2;
    rt_uint32_t r3;
    rt_uint32_t r12;
    rt_uint32_t lr;
    rt_uint32_t pc;
    rt_uint32_t psr;
};


struct stack_frame
{
    /* 异常发生时，需要手动加载到CPU寄存器的内容 */
    rt_uint32_t r4;
    rt_uint32_t r5;
    rt_uint32_t r6;
    rt_uint32_t r7;
    rt_uint32_t r8;
    rt_uint32_t r9;
    rt_uint32_t r10;
    rt_uint32_t r11;

    struct exception_stack_frame exception_stack_frame;
};


/*
 *	rt_hw_stack_init()函数用来初始化线程栈，当线程第一次运行时，加载到CPU寄存器的参数就放在线程栈里面
 */

 rt_uint8_t *rt_hw_stack_init(void *tentry,
                            void *parameter,
                            rt_uint8_t *stack_addr)
{
    struct stack_frame *stack_frame;
    rt_uint8_t *stk;
    unsigned long i;

		/* 获取栈顶指针调用rt_hw_stack_init()时，传给stack_addr的是(栈顶指针-4) (5)*/
    stk = stack_addr + sizeof(rt_uint32_t);

		/* 让stk指针向下8字节对齐 (6)*/
    stk = (rt_uint8_t *)RT_ALIGN_DOWN((rt_uint32_t)stk, 8);

    /* stk指针继续向下移动sizeof(struct stack_frame)个偏移量	(7) */
    stk-= sizeof(struct stack_frame);

	/*	将stk指针强制转化为stack_frame类型后存储在stack_frame中，	(8)*/
	/*	从此之后stack_frame就指向了用户提供栈的栈顶	(8)*/
	stack_frame = (struct stack_frame *)stk;

	/* 以stack_frame为起始地址，将栈空间里面的sizeof(struct stack_frame)个内存地址初始化为0xdeadbeef (9)*/
	for (i = 0; i <sizeof(struct stack_frame) /sizeof(rt_uint32_t); i ++)
	{
		((rt_uint32_t *)stack_frame)[i] = 0xdeadbeef;
	}

	/* 初始化异常发生时自动保存的寄存器（10） */
	stack_frame->exception_stack_frame.r0 = (unsigned long)parameter; /* r0 : argument */
	stack_frame->exception_stack_frame.r1 = 0;
	stack_frame->exception_stack_frame.r2 = 0;
	stack_frame->exception_stack_frame.r3 = 0;
	stack_frame->exception_stack_frame.r12 = 0;
	stack_frame->exception_stack_frame.lr = 0;
	stack_frame->exception_stack_frame.pc =  (unsigned long)tentry;/* 入口指针, pc */
	stack_frame->exception_stack_frame.psr =  0x01000000L; 				 /* PSR */


	return stk;
}

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3.2.2 就绪列表

初始化完线程函数后，需要将其插入就绪列表中，就绪列表是存放链表节点的数组。节点中存放了 next 和 prev 指针

struct rt_list_node
{
	struct rt_list_node *next; /* 指向后一个节点 */
	struct rt_list_node *prev; /* 指向前一个节点 */
};
typedef struct rt_list_node rt_list_t;

/*	控制块定义	*/
struct rt_thread
{
	void	*sp;								/*	线程栈指针	*/
	void	*entry;							/*	线程入口地址	*/
	void	*parameter;					/*	线程形参	*/
	void	*stack_addr;				/*	线程栈起始地址	*/
	rt_uint32_t	stack_size;		/*	线程栈大小，单位为字节	*/

	rt_list_t tlist; /* 线程链表节点 */
};

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就绪列表定义在 scheduler.c 中


/*	定义就绪列表		*/
rt_list_t rt_thread_priority_table[RT_THREAD_PRIORITY_MAX];

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初始化完成后，插入就绪列表中：

	rt_thread_init( &rt_flag1_thread, 						/* 线程控制块 */
							flag1_thread_entry,								/* 线程入口		*/
							RT_NULL, 													/* 线程形参地址	*/
							&rt_flag1_thread_stack[0], 				/* 线程栈起始地址 */
							sizeof(rt_flag1_thread_stack) ); 	/* 线程栈大小，单位为字节 */
			

	/* 将线程1插入就绪列表 */
	rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[0]),&(rt_flag1_thread.tlist) );

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3.2.3 调度器初始化以及启动调度器

程序三大步骤：

调度器初始化以及线程初始化
将线程插入就绪列表
启动调度器，从就绪列表中取出线程对象执行

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调度器函数主要分为：

调度器初始化 - **==void rt_system_scheduler_init(void)==**
启动调度器 - **==void rt_system_scheduler_start(void)==**
1. 切换到第一个线程(汇编实现) - **==rt_hw_context_switch_to((rt_uint32_t)&to_thread->sp);==**
系统调度函数 - 在各自的线程中执行仅仅实现两个线程轮流切换 - ==void rt_schedule(void)==
1. 产生上下文切换（汇编实现）- **==rt_hw_context_switch((rt_uint32_t)&from_thread->sp,(rt_uint32_t)&to_thread->sp);==**


	/* 调度器初始化 */
	rt_system_scheduler_init();

	/* 线程初始化 */
	rt_thread_init( &rt_flag2_thread, 						/* 线程控制块 */
							flag2_thread_entry,			/* 线程入口*/
							RT_NULL, 							/* 线程形参地址	*/
							&rt_flag2_thread_stack[0], 				/* 线程栈起始地址 */
							sizeof(rt_flag2_thread_stack) ); 	/* 线程栈大小，单位为字节 */

	/* 将线程2插入就绪列表 */
	rt_list_insert_before( &(rt_thread_priority_table[1]),&(rt_flag2_thread.tlist) );

	/* 启动系统调度器 */
	rt_system_scheduler_start();

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调度器初始化

即让各链表节点自指：

/* 线程就绪列表初始化 */
void rt_system_scheduler_init(void)
{
	register rt_base_t offset;

	/*	让就绪列表中每个节点都自指	*/
	for (offset = 0; offset < RT_THREAD_PRIORITY_MAX; offset ++)
	{
			rt_list_init(&rt_thread_priority_table[offset]);
	}

	/* 初始化当前线程控制块指针 */
	rt_current_thread = RT_NULL;
}

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调度器启动

调度器从就绪列表中取出对象，但是就绪列表中存放的是链表。

问题来了，链表对象只有前后节点，如何通过链表节点来访问一个线程对象的其他属性？

==-- ==**==已知一个结构体里面的成员的地址，反推出该结构体的首地址！！！==**

/* 已知一个结构体里面的成员的地址，反推出该结构体的首地址 */
#define rt_container_of(ptr, type, member) \
    ((type *)((char *)(ptr) - (unsigned long)(&((type *)0)->member)))
		
#define rt_list_entry(node, type, member) \
    rt_container_of(node, type, member)

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启动调度器函数 - **==void rt_system_scheduler_start(void)==**

 /* 启动系统调度器，指定第一个要运行的线程 */
void rt_system_scheduler_start(void)
{
	register struct rt_thread *to_thread;


	/* 手动指定第一个运行的线程 */

	/*	得到第一个线程地址		*/
	to_thread = rt_list_entry(rt_thread_priority_table[0].next,
								struct rt_thread,
								tlist);

	rt_current_thread = to_thread;

	/* 切换到第一个线程，该函数在context_rvds.s中实现，
			在rthw.h中声明，用于实现第一次线程切换。
			当一个汇编函数在C文件中调用时，如果有形参，
			则执行时会将形参传入CPU寄存器r0	*/				
	rt_hw_context_switch_to((rt_uint32_t)&to_thread->sp);
}

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3.2.4 线程上下文切换

线程切换函数统一在 context_rvds.s 中实现

;*************************************************************************
;                                 全局变量
;*************************************************************************
    IMPORT rt_thread_switch_interrupt_flag
    IMPORT rt_interrupt_from_thread
    IMPORT rt_interrupt_to_thread
	
;*************************************************************************
;                                 常量
;*************************************************************************
;-------------------------------------------------------------------------
;有关内核外设寄存器定义可参考官方文档：STM32F10xxx Cortex-M3 programming manual
;系统控制块外设SCB地址范围：0xE000ED00-0xE000ED3F
;-------------------------------------------------------------------------

;给数字常量取一个符号名，相当于 C 语言中的 define
SCB_VTOR        EQU     0xE000ED08     ; 向量表偏移寄存器
NVIC_INT_CTRL   EQU     0xE000ED04     ; 中断控制状态寄存器
NVIC_SYSPRI2    EQU     0xE000ED20     ; 系统优先级寄存器(2)
NVIC_PENDSV_PRI EQU     0x00FF0000     ; PendSV 优先级值 (lowest)
NVIC_PENDSVSET  EQU     0x10000000     ; 触发PendSV exception的值

;*************************************************************************
;                              代码产生指令
;*************************************************************************

;汇编一个新的代码段或者数据段

    AREA |.text|, CODE, READONLY, ALIGN=2
    THUMB
    REQUIRE8
    PRESERVE8
	

;/*
; *-----------------------------------------------------------------------
; * 函数原型：void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 to);
; * r0 --> to
; * 该函数用于开启第一次线程切换
; *-----------------------------------------------------------------------
; */

;rt_hw_context_switch_to函数,调度器启动后需要调用第一个函数的入口
rt_hw_context_switch_to    PROC
  
	; 导出rt_hw_context_switch_to，让其具有全局属性，可以在C文件调用
	EXPORT rt_hw_context_switch_to


; ------------------------------------------------------------------------------------------
    ; 设置rt_interrupt_to_thread的值，即设置下一个将要运行的线程的栈地址
; --------------------------------------------------------------------------------------------
	;一开始r0储存了函数的第一个形参 r0 = (rt_uint32_t)&to_thread->sp ，存储了要运行程序的栈指针
    LDR     r1, =rt_interrupt_to_thread             ;将rt_interrupt_to_thread的地址加载到r1，以后修改r1就是修改rt_interrupt_to_thread
   
   ;==> rt_interrupt_to_thread  = (rt_uint32_t)&to_thread->sp
	STR     r0, [r1]                                ;将r0的值存储到rt_interrupt_to_thread

; ------------------------------------------------------------------------------------------
    ; 设置rt_interrupt_from_thread的值，即设置上一个将要运行的线程的栈地址
; --------------------------------------------------------------------------------------------
    ; 设置rt_interrupt_from_thread的值为0，表示启动第一次线程切换
    LDR     r1, =rt_interrupt_from_thread           ;将rt_interrupt_from_thread的地址加载到r1
    MOV     r0, #0x0                                ;配置r0等于0
    STR     r0, [r1]                                ;将r0的值存储到rt_interrupt_from_thread

    ; 设置中断标志位rt_thread_switch_interrupt_flag的值为1
    LDR     r1, =rt_thread_switch_interrupt_flag    ;将rt_thread_switch_interrupt_flag的地址加载到r1
    MOV     r0, #1                                  ;配置r0等于1
    STR     r0, [r1]                                ;将r0的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag

    ; 设置 PendSV 异常的优先级
    LDR     r0, =NVIC_SYSPRI2	 ; 装载系统优先级寄存器
    LDR     r1, =NVIC_PENDSV_PRI ; 装载PenSV优先级寄存器
    LDR.W   r2, [r0,#0x00]       ; 读	r2保存了NVIC_SYSPRI2的值
    ORR     r1,r1,r2             ; 改
    STR     r1, [r0]             ; 写

    ; 触发 PendSV 异常 (产生上下文切换)，手动开启中断，程序会调转到PendSV_Handler执行
    LDR     r0, =NVIC_INT_CTRL
    LDR     r1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     r1, [r0]

    ; 开中断
    CPSIE   F
    CPSIE   I

    ; 永远不会到达这里
    ENDP



;/*
; *-----------------------------------------------------------------------
; * void rt_hw_context_switch(rt_uint32 from, rt_uint32 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

    ; 设置中断标志位rt_thread_switch_interrupt_flag为1   
    LDR     r2, =rt_thread_switch_interrupt_flag          ; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的地址到r2
    LDR     r3, [r2]                                      ; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的值到r3
    CMP     r3, #1                                        ; r3与1比较，相等则执行BEQ指令，否则不执行
    BEQ     _reswitch
    MOV     r3, #1                                        ; 设置r3的值为1
    STR     r3, [r2]                                      ; 将r3的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag，即置1
  
	; 设置rt_interrupt_from_thread的值
    LDR     r2, =rt_interrupt_from_thread                 ; 加载rt_interrupt_from_thread的地址到r2
    STR     r0, [r2]                                      ; 存储r0的值到rt_interrupt_from_thread，即上一个线程栈指针sp的指针

_reswitch
    ; 设置rt_interrupt_to_thread的值
	LDR     r2, =rt_interrupt_to_thread                   ; 加载rt_interrupt_from_thread的地址到r2
    STR     r1, [r2]                                      ; 存储r1的值到rt_interrupt_from_thread，即下一个线程栈指针sp的指针

    ; 触发PendSV异常，实现上下文切换，向PenSV状态寄存器写1后，就可以产生终端
	LDR     r0, =NVIC_INT_CTRL            
    LDR     r1, =NVIC_PENDSVSET
    STR     r1, [r0]

    ; 子程序返回
	BX      LR

	; 子程序结束
    ENDP


;/*
; *-----------------------------------------------------------------------
; * void PendSV_Handler(void);
; * r0 --> switch from thread stack
; * r1 --> switch to thread stack
; * psr, pc, lr, r12, r3, r2, r1, r0 are pushed into [from] stack
; *-----------------------------------------------------------------------
; */

PendSV_Handler   PROC
    EXPORT PendSV_Handler

    ; 失能中断，为了保护上下文切换不被中断
    MRS     r2, PRIMASK
    CPSID   I

    ; 获取中断标志位，看看是否为0
    LDR     r0, =rt_thread_switch_interrupt_flag     ; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的地址到r0
    LDR     r1, [r0]                                 ; 加载rt_thread_switch_interrupt_flag的值到r1
    CBZ     r1, pendsv_exit                          ; 判断r1是否为0，为0则跳转到pendsv_exit

    ; r1不为0则清0
    MOV     r1, #0x00
    STR     r1, [r0]                                 ; 将r1的值存储到rt_thread_switch_interrupt_flag，即清0

    ; 判断rt_interrupt_from_thread的值是否为0
    LDR     r0, =rt_interrupt_from_thread            ; 加载rt_interrupt_from_thread的地址到r0
    LDR     r1, [r0]                                 ; 加载rt_interrupt_from_thread的值到r1
    CBZ     r1, switch_to_thread                     ; 判断r1是否为0，为0则跳转到switch_to_thread
                                                     ; 第一次线程切换时rt_interrupt_from_thread肯定为0，则跳转到switch_to_thread

; ========================== 上文保存 ==============================
    ; 当进入PendSVC Handler时，上一个线程运行的环境即：
 	; xPSR，PC（线程入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（线程的形参）
 	; 这些CPU寄存器的值会自动保存到线程的栈中，剩下的r4~r11需要手动保存

 
    MRS     r1, psp                                  ; 获取线程栈指针到r1
    STMFD   r1!, {r4 - r11}                          ;将CPU寄存器r4~r11的值存储到r1指向的地址(每操作一次地址将递减一次)
    LDR     r0, [r0]                                 ; 加载r0指向值到r0，即r0=rt_interrupt_from_thread
    STR     r1, [r0]                                 ; 将r1的值存储到r0，即更新线程栈sp

; ========================== 下文切换 ==============================
switch_to_thread
    LDR     r1, =rt_interrupt_to_thread               ; 加载rt_interrupt_to_thread的地址到r1
	                                                  ; rt_interrupt_to_thread是一个全局变量，里面存的是线程栈指针SP的指针
    LDR     r1, [r1]                                  ; 加载rt_interrupt_to_thread的值到r1，即sp指针的指针
    LDR     r1, [r1]                                  ; 加载rt_interrupt_to_thread的值到r1，即sp

    LDMFD   r1!, {r4 - r11}                           ;将线程栈指针r1(操作之前先递减)指向的内容加载到CPU寄存器r4~r11
    MSR     psp, r1                                   ;将线程栈指针更新到PSP

pendsv_exit
    ; 恢复中断
    MSR     PRIMASK, r2

    ORR     lr, lr, #0x04                             ; 确保异常返回使用的堆栈指针是PSP，即LR寄存器的位2要为1
    BX      lr                                        ; 异常返回，这个时候任务堆栈中的剩下内容将会自动加载到xPSR，PC（任务入口地址），R14，R12，R3，R2，R1，R0（任务的形参）
	                                                  ; 同时PSP的值也将更新，即指向任务堆栈的栈顶。在ARMC3中，堆是由高地址向低地址生长的。
    ; PendSV_Handler 子程序结束
	ENDP


	ALIGN   4

    END

‍

3.3 实验

3.2.1 线程对象定义(rtdef.h 文件中)以及初始化(thread.c) ↩
主要是线程栈的初始化！！ ↩
3.2.2 就绪列表 ↩
3.2.3 调度器初始化以及启动调度器 ↩
3.2.4 线程上下文切换 ↩

线程定义与线程切换的实现

1. 什么是线程？

2. RT-Thread 内核对线程的管理

3. 线程编程

3.1 程序架构与文件架构

3.2 函数实现

3.2.1 线程对象定义(rtdef.h 文件中)以及初始化(thread.c)

3.2.2 就绪列表

3.2.3 调度器初始化以及启动调度器

3.2.4 线程上下文切换

3.3 实验

3.2.1 线程对象定义(rtdef.h 文件中)以及初始化(thread.c) ↩

3.2.2 就绪列表 ↩

3.2.3 调度器初始化以及启动调度器 ↩

3.2.4 线程上下文切换 ↩

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