RT-Thread快速入门-内核移植

1RT-Thread快速入门-内核移植

RT-Thread 快速入门系列前面的文章介绍了内核相关的知识，以及内核提供的接口函数和如何使用。

本篇文章主要介绍如何将 RT-Thread 内核移植到某个硬件平台之上。移植分为两部分：

CPU 架构移植
BSP 移植

也就是将 RT-Thread 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，线程间同步和通信，定时器管理等功能。

CPU 架构移植，会用到 CPU 架构的汇编指令，因此如果要自己动手移植，需要熟悉一下目标 CPU 的汇编指令。

备注：在介绍移植过程的各个部分时，会以 Cortex-M 为例进行说明。

2CPU 架构移植

为了方便将 RT-Thread 移植到不同 CPU 架构的芯片上运行，RT-Thread 提供了一个 libcpu 抽象层。该抽象层用来适配不同的 CPU 架构，起到承上启下的作用。

向上对内核提供统一的函数接口。包括全局中断的开关、线程初始化、上下文切换等等。
向下提供了统一的 CPU 架构移植接口，包括全局中断开关函数、线程上下文切换函数、时钟节拍配置、Cache 等等。

CPU 架构移植需要实现的接口函数，如下表

函数和变量	描述
rt_base_t rt_hw_interrupt_disable(void);	关闭全局中断
void rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level);	打开全局中断
rt_uint8_t rt_hw_stack_init(void tentry, void parameter, rt_uint8_t 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
void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 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调用
void rt_hw_context_switch(rt_uint32 from, rt_uint32 to);	从 from 线程切换到 to 线程，用于线程和线程之间的切换
void rt_hw_context_switch_interrupt(rt_uint32 from, rt_uint32 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
rt_uint32_t rt_thread_switch_interrupt_flag;	表示需要在中断里进行切换的标志
rt_uint32_t rt_interrupt_from_thread, rt_interrupt_to_thread;	在线程进行上下文切换时候，用来保存 from 和 to 线

1. 实现全局中断开关

RT-Thread 为了解决临界区问题，提供了一系列的线程间同步和同步机制。这些机制内部实现都需要用到 libcpu 里提供的全局中断开关函数，他们分别是：

/* 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);

以 Cortex-M 为例，其快速开关中断的指令如下（汇编代码）：

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

关闭全局中断

关闭全局中断函数 rt_hw_interrupt_disable() 内部需要依次完成如下功能：

保存当前的全局中断状态，并把状态作为函数的返回值
关闭全局中断。

基于 MDK，在 Cortex-M 内核上实现关闭全局中断，代码如下（已经添加注释）：

;/*
; * rt_base_t rt_hw_interrupt_disable();
; */
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

上面代码中，寄存器 r0 存储的数据就是函数的返回值。

打开全局中断

打开全局中断函数 rt_hw_interrupt_enable(rt_base_t level) 中，参数 level 为需要恢复的全局中断状态。

基于 MDK，在 Cortex-M 内核上打开全局中断的代码如下（已经添加注释）：

;/*
; * 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

该函数用 MSR 指令将寄存器 r0 的值写入到 PRIMASK 寄存器中，恢复之前的中断状态。

2. 实现线程栈初始化

在线程创建过程中，会调用栈初始化函数 rt_hw_stack_init()，对线程栈进行初始化。该函数内部，会构造一个上下文内容，这个上下文内容被当作每个线程第一次执行的初始值。

Cortex-M 的栈初始化代码如下：

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;
}

3. 实现上下文切换

CPU 架构不同，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会有所差异。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。

为了能适应不同的 CPU 架构， RT-Thread 的 libcpu 抽象层需要实现三个线程切换相关的函数：

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。
rt_hw_context_switch()：在线程环境下，从当前线程切换到目标线程。
rt_hw_context_switch_interrupt()：在中断环境下，从当前线程切换到目标线程。

线程环境下，调用 rt_hw_context_switch() 函数，可以立即进行上下文切换。在中断环境下，需要等待中断服务函数完成之后才能进行切换。

实现 rt_hw_context_switch_to()

该函数只有目标线程，没有来源线程。实现流程图：

在 Cortex-M3 内核上的 rt_hw_context_switch_to() 实现（基于 MDK），其代码如下：

;/*
; * void rt_hw_context_switch_to(rt_uint32 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，表示不需要从保存 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，这个变量将在 PendSV 异常处理函数里切换的时被清零
  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 (将执行 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()

这两个函数都有两个参数 from 和 to，他们实现从 from 线程切换到 to 线程的功能。流程图如下：

在 Cortex-M3 内核上的 rt_hw_context_switch() 和 rt_hw_context_switch_interrupt() 实现（基于 MDK），如下代码的所示：

;/*
; * 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
  
  ; 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
  ENDP

实现 PendSV 中断

在 Cortex-M3 里， PendSV 中断处理函数是 PendSV_Handler()。在该函数里完成线程切换的实际工作，下图是具体的流程图：

image-20220313230627420

PendSV_Handler 的代码实现如下：

; 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
 ;关闭全局中断
  MRS r2, PRIMASK
  CPSID I
  
  ;检查rt_thread_switch_interrupt_flag 变量是否为 0
  ;如果为零就跳转到 pendsv_exit
  LDR r0, =rt_thread_switch_interrupt_flag
  LDR r1, [r0]
  CBZ r1, pendsv_exit ; pendsv already handled
  
  ;清零 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量
  MOV r1, #0x00
  STR r1, [r0]
  
  ; 检查 rt_thread_switch_interrupt_flag 变量
  ; 如果为 0， 就不进行 from 线程的上下文保存
  LDR r0, =rt_interrupt_from_thread
  LDR r1, [r0]
  CBZ r1, switch_to_thread
  
  ;保存 from 线程的上下文
  MRS r1, psp    ;获取 from 线程的栈指针
  STMFD r1!, {r4 - r11} ; 将 r4~r11 保存到线程的栈里
  LDR r0, [r0]
  STR r1, [r0]   ;更新线程的控制块的 SP 指针
switch_to_thread
  LDR r1, =rt_interrupt_to_thread
  LDR r1, [r1]
  LDR r1, [r1] ; 获取 to 线程的栈指针
  LDMFD r1!, {r4 - r11} ; 从 to 线程的栈里恢复to 线程的寄存器值
  MSR psp, r1 ;更新r1的值到 psp
pendsv_exit

  ;恢复全局中断状态
  MSR PRIMASK, r2
  ; 修改 lr 寄存器的 bit2，确保进程使用 PSP堆栈指针
  ORR lr, lr, #0x04
  ;退出中断函数
  BX lr
  ENDP

4. 实现系统时钟节拍

开关全局中断和上下文切换功能实现之后，就可以完成 RTOS 的线程/任务创建、运行、调度等功能。

除此之外，还需要实现系统的时钟节拍。系统定时器、延时，以及相同优先级线程之间的时间片轮转调度，都需要时钟节拍的支持。

libcpu 的移植需要完成 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。在 Cortex M 中，实现 SysTick 的中断处理函数即可实现时钟节拍功能。

void SysTick_Handler(void)
{
  /* 进入中断 */
  rt_interrupt_enter();
  
  rt_tick_increase();
  
  /* 离开中断 */
  rt_interrupt_leave();
}

3BSP 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，所以我们也需要针对板卡做适配工作。RT-Thread 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 RT-Thread 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，需要完成的主要工作是：

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。

RT-Thread 源码中，已经适配好了很多 CPU 架构。如果自己所用的板卡或者CPU架构已经被官方支持，那么就不需要自己去移植了，直接就可以把移植好的文件拿来用。

4小结

本篇文章重点介绍了 RT-Thread 移植的具体流程，以及移植工作涉及到的原理知识等。

通过学习 RT-Thread 的移植过程，可以了解到 RTOS 移植需要完成的工作。真正的移植工作，需要了解 CPU 架构、系统内核移植需要完成的函数等等，对开发者的技术要求比较高。

但是，对于初学者来说，不用担心。RTOS 官方一般会将主流的 CPU 移植适配好，直接拿来用即可。

另外，若想将一款 RTOS 用到项目中，可以先看看官方使用文档，会有详细的指导说明。主流的 CPU 架构一般都会适配，按照文档说明，可以快速将系统用起来。

OK，今天先到这，下次继续。加油~